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  <p align="justify" height="0pt" width="0pt"></p>

  <p align="center" height="1em" width="0pt"><font size="7"><b>8. 量子台球</b></font></p>

  <p align="justify" height="1em" width="2em">有一天，汤普金斯先生在银行里做了一整天工作（他们正忙着完成房产方面的业务），回家的路上，他感到非常疲倦。这时，他正好走过一家酒馆，便决定进去喝杯啤酒。一杯下去了，接着又是一杯，不久，汤普金斯先生开始感到有点醉意了。酒馆后面有个台球房，里面有许多人套着套袖围着当中那张台子打台球。他模模糊糊地记起他以前曾到这里来过，那是一个年轻的同事带他来，教他怎样打台球的。于是，他走近台子，开始专心看别人怎样玩。突然，一件非常费解的事情发生了！有一个人把一个台球放在台子上，用球杆把它击了一下。在注视那个滚动着的台球时，汤普金斯先生十分惊讶地发现，那个台球开始“弥散”开了。“弥散”这个词，是他为说明那个球的奇怪表现所能找到的惟一表达方法，因为它在滚过绿色的台毯时，似乎变得越来越模糊，失去了明确的轮廓，好像在台上滚的不是一个球，而是许许多多个彼此有一部分互相叠合的球似的。汤普金斯先生无法理解为什么现在会发生这种情况。“得，”他想，“让我们看看这个松包球怎样打另一个球吧！”</p>

  <p align="justify" height="1em" width="2em">那个打球的人显然是个高手，所以，那个滚动的球正像人们所说的那样，把另一个球打个正着。这时发出了一声响亮的撞击声，原来静止的台球和那个射来的台球（不过，汤普金斯先生无法确定，它们当中究竟哪个是前者，哪个是后者），两者都“朝四面八方”快速地滚去。这确实是非常奇怪的事，现在不再是两个看来有点松散的台球，而似乎有无数个台球，它们全都非常模糊，非常松散，大致在原来撞击方向180°角的范围内向外滚去。这相当像是个从撞击点向外扩展的独特的波。</p>

  <p align="justify" height="1em" width="2em">但是，汤普金斯先生注意到，在原来那个撞击方向上，台球的流量最大。</p>

  <p align="justify" height="1em" width="0pt"><img align="baseline" alt="" height="518" src="../Images/Image00000.jpg" width="328" /></p>

  <p align="justify" height="1em" width="2em">这是概率波的一个很好的事例</p>

  <p align="justify" height="1em" width="2em">“这是概率波的一个很好的事例，”在他背后响起了一个熟悉的声音，汤普金斯先生听出这是教授在说话。</p>

  <p align="justify" height="1em" width="2em">“啊，是你来了，”他说，“好极了。也许你可以给我解释一下这里发生的事。”</p>

  <p align="justify" height="1em" width="2em">“当然可以啦，”教授说，“这家台球房的主人收集到这里的东西是患了‘量子象牙症’的，如果我可以这样说的话。不错，自然界的一切物体都服从量子规律，但是，在那些现象中起作用的所谓量子常数是非常非常小的，事实上，它的量值是在小数点以后还有27个零的数字，至少在一般情况下是这样。不过，对于这里的台球来说，这个常数要大得多了——大约等于1。因此，你才能够轻易地亲眼看到这种量子现象，通常，这可是只有利用非常灵敏、巧妙的观察方法才能够发现的。”说到这里，教授沉思了片刻。“我并不想进行考证，”他继续说，“但是，我倒很想知道那个家伙是从哪里弄到这些球的。严格地说，这样的球在我们这个世界是不可能存在的，因为对于我们这个世界的一切物体来说，量子常数只具有很小很小的值。”</p>

  <p align="justify" height="1em" width="2em">“也许他是从另一个世界进口的吧。”汤普金斯先生提醒说。</p>

  <p align="justify" height="1em" width="2em">但是，教授并不满足于这种说法，他仍然保持怀疑的态度。“你已经注意到了，”他继续说，“那两个球都发生了‘弥散’。这就是说，它们在球台上的位置是不十分确定的。实际上，你无法精确地指出一个球的位置，你最多只能说，那个球‘基本上在这里’，但‘也有可能在别的什么地方’”。</p>

  <p align="justify" height="1em" width="2em">“这可是一种十分反常的说法。”汤普金斯先生嘟哝着。</p>

  <p align="justify" height="1em" width="2em">“恰恰相反，”教授坚持说，“这是绝对正常的——从任何物体总会发生这种事这个意义上说。人们只不过是由于量子常数的值大小和一般观察方法太粗糙，才没有注意到这种测不准性。他们得到一个错误的结论说：位置和速度都是永远可以准确测定的量。事实上，这两个量都总是有某种程度的测不准性，并且，其中一个量测得越准确，另一个量就越弥散，越测不准。量子常数所起的作用，正好就是它决定了这两个测不准的量之间的关系。注意，现在我要把这个球放进三角木框里，把它的位置明确地限制起来了。”</p>

  <p align="justify" height="1em" width="2em">那个球一放进木框里，整个三角框的内部就到处闪烁着象牙的白光。</p>

  <p align="justify" height="1em" width="0pt"><img align="baseline" alt="" height="250" src="../Images/Image00087.jpg" width="310" /></p>

  <p align="justify" height="1em" width="2em">台球被限定在三角框里</p>

  <p align="justify" height="1em" width="2em">“你看，”教授说，“我把台球的位置限定在三角框里几分米范围内了，这就使速度产生了相当可观的测不准性，所以台球在木框里迅速地运动。”</p>

  <p align="justify" height="1em" width="2em">“你能让它停下吗？”汤普金斯先生问道。</p>

  <p align="justify" height="1em" width="2em">“不，从物理学上说，这是不可能的。任何一个处在封闭空间内的物体都有一定的运动——我们物理学家把它称为零点运动。举个例子吧，任何原子中的电子的运动都属于这一类。”</p>

  <p align="justify" height="1em" width="2em">就在汤普金斯先生注视那个球像笼子里的老虎一样，不断地在框子里来回猛冲的时候，发生了一件极不寻常的事。那个球竟直接穿过三角框的框壁“漏”了出来，接着就向球台远处那个角落滚过去。事情怪就怪在它确实不是越过三角框跳出来，而真的是穿过没有空隙的木壁钻出来，一点也没有离开台面。</p>

  <p align="justify" height="1em" width="2em">“看到了吗？”教授说，“事实上，这恰好是量子论的一个最有意思的后果。任何一件东西，只要它的能量大到在穿过围墙以后还能继续跑开，你就不可能把它囚禁在封闭的围墙里。这个物体早晚总是要直接从围墙‘漏出’跑掉的。”</p>

  <p align="justify" height="1em" width="2em">“要是这样，我就再也不上动物园去了。”汤普金斯先生断然地说，他那活泼的想象力已经描绘出一幅从笼子里“漏出”的老虎同狮子打架的情景了。然后，他的思想又转到一个稍稍不同的方向上去：要是他的汽车也从锁得好好的车库里漏出来呢？他想象一辆好好锁在车库里的汽车，突然像中世纪传说中的老妖精那样，“钻过”汽车库的墙壁闯了出来。</p>

  <p align="justify" height="1em" width="0pt"><img align="baseline" alt="" height="406" src="../Images/Image00026.jpg" width="372" /></p>

  <p align="justify" height="1em" width="2em">要是他的汽车也从锁得好好的车库里漏出来呢？</p>

  <p align="justify" height="1em" width="2em">“我得等待多长时间，”他问教授，“才能看到一辆汽车——可不是用这里这种愚弄人的材料制造的，而是真正用钢铁制成的汽车——穿过汽车库的砖墙‘漏’出来？我倒确实很想看一看哩！”</p>

  <p align="justify" height="1em" width="2em">教授很快地在脑子里算了一下，便把答案准备好了，“这大概需要等待100 000 000 … 000年。”</p>

  <p align="justify" height="1em" width="2em">尽管汤普金斯先生在银行业务中经常接触到巨大的数字，他却弄不清教授所说的数字中到底有多少个零——反正数字是够长的，长到他完全不必担心他的汽车会自己跑掉。</p>

  <p align="justify" height="1em" width="2em">“就算我相信你所说的一切都是正确的，可我仍旧不明白，这样的事怎么能够观察到，如果我们没有这里这些台球的话。”</p>

  <p align="justify" height="1em" width="2em">“这是一个合理的反对意见，”教授说，“当然，我的意思并不是说，在你经常接触的那些物体上，也能够观察到量子现象。问题在于，量子规律只有在应用到原子或电子这类非常小的质量上时，它们的效应才会变得显著得多。对于这些粒子来说，量子效应已经大到一般力学完全失效的程度。两个原子之间的碰撞，看起来完全同你刚才观察到的两个‘量子象牙’台球的碰撞一样；而电子在原子中的运动，则同我放进三角框里的台球的‘零点运动’非常相似。”</p>

  <p align="justify" height="1em" width="2em">“电子是不是常常从原子中跑出？”汤普金斯先生问道。</p>

  <p align="justify" height="1em" width="2em">“不，不是的，”教授急忙回答说，“根本不会发生这种情形。你大概还记得我说过，物体一旦通过势垒漏出，还必须有足够的能量跑开。电子是依靠它所带的负电荷与原子核中质子的正电荷之间的静电引力，才保持在原子里的。电子没有足够的能量摆脱这种吸引，所以它就无法跑开。如果你想看到粒子漏出的情况，那么，我建议你去观察重原子核。从某种意义上说，重原子核的表现就像是由一些α粒子组成的。”</p>

  <p align="justify" height="1em" width="2em">“α粒子？那是什么？”</p>

  <p align="justify" height="1em" width="2em">“α粒子是由于某种历史原因而给氦原子核起的名称。它由两个中子和两个质子组成，而且结合得异常牢固：那4个粒子可以非常有效地‘贴在一起’。就像我刚刚说过的，由于α粒子结合得极其牢固，在某些情况下，重原子核的表现就像是一些α粒子的集合体，而不像是由单个中子和质子组成的。虽然这些α粒子也在原子核的整个体积内运动着，但是，它们却依靠那种把核子结合在一起的短程核引力而保持在原子核的体积内，至少在正常状况下是这样的。但是，常常也有一个α粒子漏了出来：它跑到那种把它保持在原子核内的核引力的作用范围外。事实上，它现在只受到它自己的正电荷与它留在后面的其他α粒子的正电荷之间的长程静电斥力的作用。因此，现在这个α粒子便被推到原子核的外面了。这是放射性原子核的一种衰变方式，你可以看出，这个α粒子同你那辆锁在车库里的汽车十分相似，只不过。粒子的漏出要比你的汽车快得多罢了！”</p>

  <p align="justify" height="1em" width="2em">在进行这次长谈以后，汤普金斯先生感到疲惫不堪，他精神涣散。漫无目标地四顾着。他的注意力被房间角落里一座巨大的老爷时钟吸引住了，它那长长的老式钟摆正在缓慢地来回摆动着。</p>

  <p align="justify" height="1em" width="2em">“我看，你是对这座时钟发生兴趣了，”教授说，“这也是一种不大寻常的机器哩，不过，它目前已经过时了。这座时钟所代表的，正好是人们最初思考量子现象时所用的途径。它的钟摆的装法，使得摆幅只能够改变有限多次。可是，现在所有钟表制造者都宁愿采用巧妙的弥散摆。”</p>

  <p align="justify" height="1em" width="2em">“啊，我希望我能够理解这一切复杂的事物！”汤普金斯先生感慨地说。</p>

  <p align="justify" height="1em" width="2em">“好极了，”教授立即反应说，“我是在去作量子论演讲的途中拐进这家酒馆来的，因为我从窗外看到了你。要是我不准备迟到，现在我就该走了。你愿意一块去吗？”</p>

  <p align="justify" height="1em" width="2em">“好的，我去。”汤普金斯先生说。</p>

  <p align="justify" height="1em" width="2em">像通常那样，演讲厅里坐满了学生，汤普金斯先生虽然只能在台阶上找个座位，但已觉得很满意了。</p>

  <p align="justify" height="1em" width="2em">女士们，先生们——教授开始演讲了——</p>

  <p align="justify" height="1em" width="2em">在前两次演讲中，我曾努力对你们说明，由于发现一切物理速度都有一个上限，以及对直线这个概念进行了分析，我们完全改造了19世纪的时空观念。</p>

  <p align="justify" height="1em" width="2em">但是，对物理学基础进行批判分析所得到的进展，并没有停止在这个阶段上，接着又有了一些更加令人惊奇的发现和结论。我这里所指的是物理学中那门被称为量子论的分支学科，它同时间和空间自身的性质关系不大，但同物体在时间和空间中的相互作用和运动却有密切的关系。</p>

  <p align="justify" height="1em" width="2em">古典物理学总是认为，不需要任何证明就可以肯定地说，通过改变实验的条件，可以把任何两个物理客体之间的相互作用降低到要多小有多小，在必要时甚至可以把它降低到实际上等于零。譬如说，在研究某些过程所产生的热时，人们要担心放进温度计会把一部分热量带走，从而使所要观察的过程不能正常进行，但是，实验工作者们总是确信，采用比较小的温度计或非常精致的温差电偶，就能够把这种干扰降低到所要求的精确度极限以下。</p>

  <p align="justify" height="1em" width="2em">过去人们确信，从原理上说，任何一种物理过程都可以用任意高的精确度进行观察，观察本身并不会对所观察的过程产生干扰。这种信念是那么根深蒂固，因此，人们从来没有想到需要把这样一种提法明确地加以说明，并且总是把所有有关的问题都当作纯技术性的困难来处理。但是，20世纪开始以来所积累的许多新的实验事实，却不断促使物理学家作出结论说，真实的情况确实要复杂得多，并且，在自然界中存在着一个确定的互相作用下限，这个下限是永远不能超越的。就我们日常生活中所熟悉的各种过程而论，这个天然的精确度极限小到可以忽略不计，但是，当我们所要处理的是在原子或分子这类极微小的力学系统中发生的过程时，这个极限便变得非常重要了。</p>

  <p><span id="filepos0000225382"></span></p>

  <p align="justify" height="1em" width="2em">1900年，德国物理学家普朗克 <a href="../Text/text00001.html#filepos0000251689"><font color="blue"><u>[1]</u></font></a> 在从理论上研究物体与辐射之间的平衡条件时，得出了一个令人惊讶的结论说，这种平衡是根本不可能达到的，除非我们假设物质与辐射之间的相互作用并不像我们通常设想的那样连续，而是通过一系列不连续的‘冲击’来实现的，在每一次这样的基本相互作用中，都有一定量的能量从物质转移给辐射或从辐射转移给物质。为了达到所要求的平衡，并且使理论同实验事实相一致，必须在每次冲击所转移的能量与那个导致能量转移的过程的频率（周期的倒数）之间，引入一个简单的数学比例关系式。</p>

  <p align="justify" height="1em" width="2em">这样一来，普朗克不得不作出结论说，在用符号h代表这个比例常数时，每次冲击所转移的最小能量（即所谓量子）可由下式算出：</p>

  <p><span id="filepos0000226414"></span></p>

  <p align="center" height="1em" width="2em">(1)<img align="baseline" alt="" height="19" src="../Images/Image00060.jpg" width="88" /></p>

  <p align="justify" height="1em" width="2em">式中ν是辐射的频率。常数h的数量值等于6.547×10 <sup><small><font size="1">-34</font></small></sup> 焦·秒，它通常被称为普朗克常数或量子常数。量子常数的数量值极其微小，这就是我们在日常生活中通常观察不到量子现象的原因。</p>

  <p align="justify" height="1em" width="2em">普朗克这种想法的进一步发展应该归功于爱因斯坦，他在几年后得出了一个结论说，辐射不仅仅在发射时才分成一个个大小有限的、分立的部分，并且永远以这样的方式存在，也就是说，它永远是由许多分立的“能包”组成的。爱因斯但把这种能包称为光量子。</p>

  <p align="justify" height="1em" width="2em">只要光量子在运动着，那么，它们除了具有能量hν以外，还具有一定的动量，根据相对论性力学，这个动量应该等于它们的能量除以光速c。正如光的频率同波长λ之间存在着ν=c/λ的关系一样，光量子的动量p同它的频率（或波长）也存在着下面的关系：</p>

  <p><span id="filepos0000227645"></span></p>

  <p align="center" height="1em" width="2em">(2)<img align="baseline" alt="" height="57" src="../Images/Image00033.jpg" width="142" /></p>

  <p align="justify" height="1em" width="2em">由于运动物体在碰撞中所产生的力学作用取决于它的动量，我们必须作出结论说，光量子的作用随着波长的减小而增大。</p>

  <p><span id="filepos0000227971"></span></p>

  <p align="justify" height="1em" width="2em">最出色地证明存在光量子和光量子具有能量和动量这个想法的实验事实，是美国物理学家康普顿 <a href="../Text/text00001.html#filepos0000252123"><font color="blue"><u>[2]</u></font></a> 的研究所提供的。他在研究光量子和电子的碰撞时，得到了这样一个结果：因受光线的作用而开始运动的电子的表现，正好同电子被一个具有式 <a href="../Text/text00001.html#filepos0000226414"><font color="blue"><u>(1)</u></font></a> 和 <a href="../Text/text00001.html#filepos0000227645"><font color="blue"><u>(2)</u></font></a> 所给出的能量和动量的粒子击中时相同。光量子本身在同电子碰撞以后，也显示出发生了某些变化（它们的频率改变了），这也同量子论的预言非常相符。</p>

  <p align="justify" height="1em" width="2em">我们目前可以说，就辐射同物质的相互作用而论，辐射的量子性质已经是完全确定下来的实验事实了。</p>

  <p><span id="filepos0000228916"></span></p>

  <p align="justify" height="1em" width="2em">量子概念的更进一步的发展归功于著名的丹麦物理学家N．玻尔 <a href="../Text/text00001.html#filepos0000252635"><font color="blue"><u>[3]</u></font></a> ，他在1913年最早提出了这样一个想法：任何一个力学系统内部的运动只可能具有一套分立的能量值，并且，运动只能通过有限大小的跳跃而改变其状态，在每一次这样的跃迁中，都会辐射（或吸收）一定量的能量（等于那两个容许能态之间的能量差）。他的这种想法是受到当时对原子光谱的观察结果的启发：当原子中的电子发出辐射时，最后得到的光谱并不是连续的，而只含有某些确定的频率——线光谱。换句话说，根据等式 <a href="../Text/text00001.html#filepos0000226414"><font color="blue"><u>(1)</u></font></a> ，所发出的辐射只能具有某些确定的能量值。如果玻尔关于发射体（现在是原子中的电子）的容许能态的假说是正确的，那么，出现线光谱的原因就很容易理解了。</p>

  <p><span id="filepos0000229958"></span></p>

  <p align="justify" height="1em" width="2em">确定力学系统各种可能状态的数学法则要比辐射的公式复杂得多，所以我不想在这里讨论。简单地说吧，如果想圆满地描述像电子这样的粒子的运动，就必须认为它们具有波动性。这样做的必要性是法国物理学家德布罗意根据他自己对原子结构的理论研究最先提出的。他认识到，处在有限空间中的波，不管是风琴管里的声波，还是小提琴琴弦的振动，都只能具有某些确定的频率或波长。这些波必须“适应”那个有限空间的大小，并且产生我们所谓的“驻波”。德布罗意 <a href="../Text/text00001.html#filepos0000253108"><font color="blue"><u>[4]</u></font></a> 主张说，如果原子中的电子具有波动性，那么，由于电子的波受到限制（限制在原子核的旁边），它的波长也只能取驻波所能具有的分立值。不仅如此，如果用一个类似于等式 <a href="../Text/text00001.html#filepos0000227645"><font color="blue"><u>(2)</u></font></a> 的方程把上述的波长同电子的动量联系起来，即</p>

  <p><span id="filepos0000231052"></span></p>

  <p align="center" height="1em" width="2em">(3)<img align="baseline" alt="" height="28" src="../Images/Image00054.jpg" width="164" /></p>

  <p align="justify" height="1em" width="2em">那么，其结果必定是电子的动量（因而连其能量）也只能取某些确定的容许值。当然，这就非常清楚地解释了为什么原子中的电子具有分立的能级，以及为什么它们发出的辐射会产生线光谱了。</p>

  <p align="justify" height="1em" width="2em">在接下来的许多年里，物质粒子运动的波动性已经被无数实验牢固地证实了。这些实验表明，电子束在通过小孔时所发生的衍射，以及像分子这样比较大。比较复杂的粒子所发生的干涉，都属于这类现象。当然，从古典的运动概念的观点来看，对物质粒子所观察到的这种波动性是绝对无法理解的。所以，德布罗意本人不得不采纳一种当时看来十分奇怪的观点，认为粒子总是由某种波“伴随”着，可以说，就是这种波在“指挥”着粒子的运动。</p>

  <p align="justify" height="1em" width="2em">由于常数ｈ的值极小，物质粒子的波长是异常小的，即使对于最轻的基本粒子——电子——也是如此。当辐射的波长比它可能通过的孔径小得多时，衍射效应是微不足道的，这时辐射会完全以正常的方式通过它。这正是足球可以不受衍射影响改变方向而直接通过两个门柱之间的间隙射入球门的原因。只有当运动发生在原子和分子内部那样小的区域中时，粒子的波动性才具有重要意义，这时它对我们认识物质的内在结构起着决定性的作用。</p>

  <p><span id="filepos0000232740"></span></p>

  <p align="justify" height="1em" width="2em">关于这类微小的力学系统具有一套分立能态的一个最直接的证明，是弗兰克和赫兹 <a href="../Text/text00001.html#filepos0000253500"><font color="blue"><u>[5]</u></font></a> 的实验提供的。他们在用带有不同能量的电子轰击原子时发现，只有当入射电子的能量达到某些分立值的时候，原子的能态才会发生明确的变化。如果电子的能量低于某一极限，在原子中就观察不到任何效应，因为这时每一个电子所携带的能量都不足以把原子从第一个量子态提高到第二个量子态。</p>

  <p align="justify" height="1em" width="2em">因此，在发展量子论这个最初的准备阶段结束时所出现的局面，不能说是对古典物理学的基本概念和基本原理进行了修改、而只是用一些相当费解的量子条件对古典物理学施加了多少有点人为的限制，即从古典物理学中可以出现的无限多种连续的运动状态当中，只挑选出一套分立的“容许”状态。不过，要是我们更深入地研究古典力学定律同我们今天扩展了的经验所要求的这些量子条件之间的联系，我们就会发现，把这两者结合起来所得出的体系，在逻辑上是不能自圆其说的，并且，这些经验的量子限制会使古典力学所依据的各种基本概念变得毫无意义。事实上，在古典理论中，有关运动的基本概念是：任何一个运动粒子在任何一个指定的瞬时都在空间中占有确定的位置，并且同时又具有确定的速度，这个速度描述了粒子在轨道上的位置随时间而变化的情况。</p>

  <p align="justify" height="1em" width="2em">位置、速度和轨道这些构成古典力学整个精致建筑的基本概念（像我们所有其他概念一样），是在观察我们周围现象的基础上形成的。因此，一旦我们的经验扩展到从前所没有揭露的新领域中去，我们就必须像对待空间和时间的古典概念那样，对这些概念进行重大的修改。</p>

  <p align="justify" height="1em" width="2em">如果我问某一位听众，为什么他相信任何一个运动粒子在任何指定的瞬时都占有确定的位置，因而能够随着时间的推移而描绘出一条确定的曲线（即所谓轨道），那么，他大概会回答说：“这是因为当我观察运动时，我看到它就是这样的。”好，现在就让我们来分析分析这种形成古典轨道概念的方法，看看它是不是真的会得出确定的结果。为了达到这个目的，我们可以设想有一个物理学家，他拥有各种最灵敏的仪器，现在他想追踪一个从他实验室墙上扔下的小物体的运动。他决定通过“看”这个物体怎样运动来进行这项观察。当然，要想看到运动物体，就必须有光照明它。由于他已经知道，光线总是会对物体产生一种压力，因而可能干扰它的运动，所以，他决定仅仅在进行观察的瞬间才使用短时间的闪光来照明。在第一组试验中，他只想观察轨道上的10个点，因此，他把闪光源选得这样微弱，以便使10次顺序照明中光压所产生的总效应不超过他所需要的精确度。这样，他在物体下落时让光源闪亮了10次，并且以他所希望的精确度得到了轨道上的10个点。</p>

  <p align="justify" height="1em" width="0pt"><img align="baseline" alt="" height="297" src="../Images/Image00098.jpg" width="272" /></p>

  <p align="justify" height="1em" width="2em">光可能干扰物体的运动</p>

  <p align="justify" height="1em" width="2em">现在他想重复这个实验，这一次，他希望得到100个点。 他知道，如果还用上一次的照明强度， 那么，相继照明100次就会对物体的运动产生太大的干扰，因此，在准备进行第二组观察时，他把闪光强度降低为上一次的1/10。在进行第三组观察时，他希望得到1000个点，因而又把闪光强度降低到第一次的1/100。</p>

  <p align="justify" height="1em" width="2em">他按照这种办法一直进行下去，并且不断降低照明的强度。这样，似乎他想得到轨道上的多少个点，便可以得到多少个点，而且可能误差永远不致增大到超过他开始时所选定的限度。这种高度理想化但在原理上似乎完全行得通的办法，是通过“观看运动物体”来建立运动轨道的一种严格合乎逻辑的方法。大家都知道，在古典物理学的框框里，这种方法是完全可行的。</p>

  <p align="justify" height="1em" width="2em">现在我们来看看，如果我们引进前面所说的量子限制，并考虑到任何一种辐射的作用都只能通过光量子来转移这个事实，那么，会发生什么情形呢？我们已经看到，我们那个观察者一直在降低照明运动物体的光的数量，因此，现在我们应该预料到，他一旦把光的数量减少到只有一个量子，他就会马上发现他不可能再继续减少下去了。这时，要不是整个光量子都从运动物体上反射回来，就是根本没有任何东西反射回来；而在后一种情况下，观察是无法进行的。当然，我们知道，同光量子碰撞所产生的效应随着光波长的增大而减小，我们的观察者同样也知道这一点，所以，到这个时候，为了再增加观察次数，他肯定会采用波长比较大的光来照明，观察次数越多，他所用的波长也越长。可是，在这一方面，他又会碰到另一个困难。</p>

  <p align="justify" height="1em" width="2em">大家都清楚地知道，在采用某一波长的光时，我们无法看到比这个波长更小的细节，要知道，谁也没有办法用油漆刷子去画波斯工笔画啊！因此，当所用的波长越来越大时，我们的观察者就不能准确地判断每一点的位置，并且他很快就会发现，他所判断的每一点都由于波长太大而变得同整个实验室一样大，结果，每一点都变得测不准了。于是，他最后不得不在观察点的数量和每一点的测不准性之间采取折衷的办法，这样一来，他就永远得不到像他的古典同行所得到的数学曲线那样精确的轨道了。他所得到的最好的结果将是一条相当宽的、模模糊糊的带，因此，如果他根据他的实验结果去建立他的轨道概念，这种概念就会同古典概念有相当大的差异。</p>

  <p align="justify" height="1em" width="2em">上面所讨论的方法是光学方法。我们现在可以试试另一种可能的方法，即采用机械方法。为了达到这个目的，我们的实验者可以设计某种精致的机械装置，比方说在空间中安装一些弹簧，每条弹簧上有一个小铃，这样，当有物体从它们近旁经过的时候，它们就会把这个物体经过的路线显示出来。他可以把大量这样的铃散布在预料运动物体将要经过的空间中，这样，在物体经过以后，那些“响着的铃”就代表物体的径迹。在古典物理学中，人们想把这些铃做得多小多灵敏都可以，因此，在使用无限多个无限小的铃的极限情况下，同样也可以用任意大的精确度构成轨道的概念。但是，对机械系统施加量子限制，同样会破坏这种局面。如果铃太小了，那么，按照公式 <a href="../Text/text00001.html#filepos0000231052"><font color="blue"><u>(3)</u></font></a> ，它们从运动物体取走的动量就会太大，即使物体只击中一个铃，它的运动状态也己大受干扰了。如果铃做得太大，那么，每一个位置的测不准性又会变得非常大，由此得到的最后轨道同样将是一条弥散的带。</p>

  <p align="justify" height="1em" width="0pt"><img align="baseline" alt="" height="344" src="../Images/Image00032.jpg" width="424" /></p>

  <p align="justify" height="1em" width="2em">每条弹簧上有个小铃</p>

  <p align="justify" height="1em" width="2em">我怕，上面这一切关于观察者怎样观察轨道的讨论，可能会造成一种过于看重技术的印象，使大家倾向于认为，尽管我们的观察者无法靠他上面所用的办法把轨道确定下来，但如果用某种比较复杂的装置，大概就能得到他所需要的结果。不过，我应该提醒大家，我们在这里并不是讨论在某个物理实验室里进行的某个特定的实验，我们是把最普通的物理测量问题概念化了。要知道，我们这个世界上所存在的任何一种作用，要不是属于辐射作用，就必定是属于纯机械作用，就这一点而论，任何一种精心设计的测量方法都离不开以上两种方法的原理，因此，它们最后必将导致相同的结果。既然我们的理想的“测量仪器”可以概括整个物理世界，我们最后就不能不作出结论说，在量子规律起统治作用的世界里，像精确的位置或形状精确的轨道这样的东西，是根本不存在的。</p>

  <p align="justify" height="1em" width="2em">我们再回头来讨论我们那个实验者，现在我们假定他想求出量子条件所强加的限制的数学表达式，我们已经看到，在上面所用的两种方法中，对位置的测定总是会对运动物体的速度产生干扰。在光学方法中，由于力学的动量守恒律，粒子受光量子撞击后，它的动量必定会产生一种测不准性，其大小同所用光量子的动量差不多。因此，我们可以运用公式 <a href="../Text/text00001.html#filepos0000231052"><font color="blue"><u>(3)</u></font></a> ，把粒子动量的测不准性写成</p>

  <p align="center" height="1em" width="2em">(4)<img align="baseline" alt="" height="28" src="../Images/Image00018.jpg" width="167" /></p>

  <p align="justify" height="1em" width="2em">再想起粒子位置的测不准性取决于光量子的波长（Δq＝λ），我们便由此得出</p>

  <p><span id="filepos0000242678"></span></p>

  <p align="center" height="1em" width="2em">(5)<span id="filepos0000242724"></span> <img align="baseline" alt="" height="28" src="../Images/Image00119.jpg" width="268" /></p>

  <p align="justify" height="1em" width="2em">在机械方法中，运动粒子的动量由于被铃取走了一部分，也会变成测不准的。运用公式 <a href="../Text/text00001.html#filepos0000231052"><font color="blue"><u>(3)</u></font></a> ，再回想起在这种场合下粒子位置的测不准性由铃的大小所决定（Δq≈l），我们又得到与前一种场合相同的最后公式 <a href="../Text/text00001.html#filepos0000242678"><font color="blue"><u>(5)</u></font></a> 。可见，公式 <a href="../Text/text00001.html#filepos0000242678"><font color="blue"><u>(5)</u></font></a> 是量子论的最基本的测不准关系式。这个公式是德国物理学家海森伯最先导出的，因而被称为海森伯 <a href="../Text/text00001.html#filepos0000253962"><font color="blue"><u>[6]</u></font></a> 测不准关系式。它表明，位置测定得越准确，动量就变得越测不准，反之亦然。</p>

  <p align="justify" height="1em" width="2em">我们再回想起动量是运动粒子的质量与速度的乘积，便可以写出</p>

  <p align="center" height="1em" width="2em">(6)<img align="baseline" alt="" height="28" src="../Images/Image00002.jpg" width="373" /></p>

  <p align="justify" height="1em" width="2em">对于我们通常碰到的物体来说，这个量是小得荒谬可笑的。即使对于质量只有10 <sup><small><font size="1">-7</font></small></sup> 克的较轻的尘埃粒子，不管是位置还是速度，也仍然可以精确地测定，精确度达到0．000 000 01%！但是，在电子（质量为10 <sup><small><font size="1">-27</font></small></sup> 克）的场合下，ΔνΔq的乘积大约达到100。在原子内部，电子的速度至少应该确定在106米／秒的精确度范围内，不然，它就会从原子中逃出。这样一来，位置的测不准性就等于10 <sup><small><font size="1">-10</font></small></sup> 米，也就是说，已经同整个原子一样大了。由于这种扩大，电子在原子中的“轨道”便弥散了，轨道的“厚度”变得等于轨道的“半径”。由此可见，这个电子将同时出现在原子核周围的每一点上。</p>

  <p align="justify" height="1em" width="2em">在过去20分钟内，我已经尽力为大家描绘出我们批判古典运动概念所造成的灾难性后果。现在那些优美的。有严格定义的古典概念已变得支离破碎，让位给可以说像烂糊粥那样的东西了。自然，你们会问我：物理学家们打算怎样用这种处处存在测不准性的观点，去描述任何一种现象呢？</p>

  <p align="justify" height="1em" width="2em">我们现在就来谈谈这个问题。很明显，既然我们由于位置和轨道都发生弥散，一般不能用数学上的点来定义物质粒子的位置，也不能用数学上的线来定义粒子的运动轨道，那么，我们就应该用别的描述方法来提供这种“稀粥”（可以这样称呼它）在空间不同点上的“密度”。从数学上说，这意味着需要采用连续函数（流体动力学中所用的那一种），而从物理学上说，这要求我们采用“这个物体大部分在这里，但有一部分在那里”或者“这枚硬币有75％在我口袋里，而有25％在你口袋里”这种所谓“出现密度”的说法。我知道，这样的句子会把你们吓一跳，不过，由于量子常数的值非常小，你们在日常生活中永远不会需要使用它们。可是，如果你想研究原子物理学，那么，我就要严肃地劝你首先使自己习惯于这种表达方式了。</p>

  <p align="justify" height="1em" width="2em">在这里，我必须预先警告大家不要产生一种错误的想法，也就是不要错误地认为，这种描述“出现密度”的连续函数在我们普通三维空间中具有物理学上的现实意义。事实上，如果我们想描述两个粒子的行为，我们就必须回答当第一个粒子出现在某一点时第二个粒子出现在什么地方的问题。要想做到这一点，我们必须采用含有6个变量（2个粒子各有3个坐标）的函数，而这样的函数在三维空间中不可能是“定域”函数。当系统更复杂时，必须采用含有更多变量的函数。从这个意义上说，量子力学的“波函数”类似于古典力学中粒子系统的“势函数”，也类似于统计力学中系统的“熵函数”。它仅仅描述运动状态，并帮助我们预测任何一种特定的运动在指定条件下可能产生的结果。因此，只有在我们描述粒子的运动时，它对于我们所描述的粒子才暂时具有物理学上的现实性。</p>

  <p><span id="filepos0000247355"></span></p>

  <p align="justify" height="1em" width="2em">描述一个粒子或粒子系统出现在不同地点的可能性有多大的函数，需要有某种数学上的记法；按照奥地利物理学家薛定愕 <a href="../Text/text00001.html#filepos0000254456"><font color="blue"><u>[7]</u></font></a> （他最先写出定义这种函数的性状的方程）的意见，这个函数一般用符号 <img align="baseline" alt="" height="26" src="../Images/Image00049.jpg" width="42" /> 来表示。</p>

  <p align="justify" height="1em" width="2em">我不想在这里讨论薛定愕基本方程的数学证明，但我希望大家注意一下导出这个方程的必要条件，这些条件当中最重要的。一个是非常离奇的是，它要求这个方程的形式必须使得描述物质粒子运动的函数能够显示出一切波动特性。</p>

  <p align="justify" height="1em" width="2em">我们一旦推翻了古典概念，并用连续函数来描述运动，关于波动性质的要求就变得容易理解多了。这种要求只不过是说，我们的 <img align="baseline" alt="" height="26" src="../Images/Image00049.jpg" width="42" /> 函数的传播并不类似于热通过一堵一面被加热的墙壁的传播，而类似于机械形变（声音）通过这种墙壁的传播。从数学上说，这要求我们所寻找的方程具有明确的、相当严格的形式。这个基本条件连同一个附加的要求——即要求我们的方程在用于可以不考虑量子效应的大质量粒子时，应该变成古典力学中的相应方程——实际上把寻找这个方程的问题，化成了一项纯数学的作业。</p>

  <p align="justify" height="1em" width="2em">如果大家愿意知道这个方程的最后形式是什么样，我可以在这里把它写出来。这就是</p>

  <p align="center" height="1em" width="2em">(7)<img align="baseline" alt="" height="60" src="../Images/Image00123.jpg" width="374" /></p>

  <p align="justify" height="1em" width="2em">在这个方程中，函数U代表作用于粒子（质量为m）的力势，对于任何一种指定的力场分布，它都使运动问题有确定的解。利用这种“薛定愕波动方程”，物理学家们已经为原子世界所发生的一切现象，描绘出最完美而且最合乎逻辑的图景。</p>

  <p align="justify" height="1em" width="2em">你们也许有人会觉得奇怪：为什么我没有使用人们在谈到量子论时常常提到的“矩阵”那个术语？我应该承认，我个人是不太喜欢这种矩阵的；因此，我宁愿不同它打交道。不过，为了使大家不至于完全不知道量子论中的这种数学工具，我想用几句话简单地谈谈它。正如大家已经看到的，人们总是用某种连续的波函数来描述粒子或复杂力学系统的运动。这种函数往往相当复杂，可以看做是由许多比较简单的振动（即所谓“本征函数”）组成的，就像一个复杂的声音可以看做是由许多个简单的谐音组成的那样。因此，我们可以通过给出各个分量的振幅，来描述复杂系统的整个运动；由于分量（泛音）的数量无限多，我们必须写出一个无限长的振幅表：</p>

  <p align="center" height="1em" width="2em"><img align="baseline" alt="" height="108" src="../Images/Image00042.jpg" width="209" /></p>

  <p align="justify" height="1em" width="2em">这样的表就称为与某一指定运动相对应的“矩阵”，它遵循某些比较简单的数学运算法则，因此，有些理论物理学家喜欢用这种矩阵来进行运算，而不用波函数本身。可见，这种“矩阵力学”——理论物理学家们常常这样称呼它——只不过是原来的“波动力学”在数学上的一个变种，由于我们办这些讲座的目的主要是想把原理讲明白，所以，我们就不必更深入地讨论这些数学方面的问题了。</p>

  <p><span id="filepos0000251181"></span></p>

  <p align="justify" height="1em" width="2em">很可惜，时间不允许我向大家介绍量子论在同相对论结合以后所取得的进一步发展。这种发展主要归功于英国物理学家狄拉克 <a href="../Text/text00001.html#filepos0000254867"><font color="blue"><u>[8]</u></font></a> 的研究工作，它为我们带来了许多很有意义的东西，并导致了一些极其重要的实验发现。以后，我也许还能够回头来谈谈这些问题，但是，现在我应该结束我的演讲了。</p>

  <p><br />
  <br />
  <span id="filepos0000251689"></span></p>

  <p align="justify" height="0pt" width="0pt"></p>

  <table align="justify" valign="top">
    <tr align="justify" valign="top">
      <td align="justify" valign="top"><a href="../Text/text00001.html#filepos0000225382"><font color="blue"><u>[1]&nbsp;</u></font></a></td>

      <td align="justify" valign="top">普朗克（Max Planck），1858~1947。他在热力学和统计物理学方面都有巨大的贡献，因而获得1918 年诺贝尔物理学奖。——译者注&nbsp;</td>
    </tr>
  </table>

  <p><span id="filepos0000252123"></span></p>

  <p align="justify" height="0pt" width="0pt"></p>

  <table align="justify" valign="top">
    <tr align="justify" valign="top">
      <td align="justify" valign="top"><a href="../Text/text00001.html#filepos0000227971"><font color="blue"><u>[2]&nbsp;</u></font></a></td>

      <td align="justify" valign="top">康普顿（Arthur Compton），1892~1962，它除了发现这里所说的康普顿效应外，在研究光子、X 射线、γ 射线和宇宙线方面，也有相当贡献。他因此获得1927 年的诺贝尔物理学奖。——译者注&nbsp;</td>
    </tr>
  </table>

  <p><span id="filepos0000252635"></span></p>

  <p align="justify" height="0pt" width="0pt"></p>

  <table align="justify" valign="top">
    <tr align="justify" valign="top">
      <td align="justify" valign="top"><a href="../Text/text00001.html#filepos0000228916"><font color="blue"><u>[3]&nbsp;</u></font></a></td>

      <td align="justify" valign="top">玻尔（Niels Bohr），1885~1962，量子论的创始者之一，他因这个新理论而获得1922 年的诺贝尔物理学奖。此外，他对原子结构理论也有一定贡献。——译者注&nbsp;</td>
    </tr>
  </table>

  <p><span id="filepos0000253108"></span></p>

  <p align="justify" height="0pt" width="0pt"></p>

  <table align="justify" valign="top">
    <tr align="justify" valign="top">
      <td align="justify" valign="top"><a href="../Text/text00001.html#filepos0000229958"><font color="blue"><u>[4]&nbsp;</u></font></a></td>

      <td align="justify" valign="top">德布罗意（De Broglie），1892~ ，由于研究物质波而获得1929 年的诺贝尔物理学奖。——译者注&nbsp;</td>
    </tr>
  </table>

  <p><span id="filepos0000253500"></span></p>

  <p align="justify" height="0pt" width="0pt"></p>

  <table align="justify" valign="top">
    <tr align="justify" valign="top">
      <td align="justify" valign="top"><a href="../Text/text00001.html#filepos0000232740"><font color="blue"><u>[5]&nbsp;</u></font></a></td>

      <td align="justify" valign="top">弗兰克（James Franck）和赫兹（Hertz），德国物理学家，他们由于研究原子与电子碰撞时的能量变化，而获得1925 年的诺贝尔物理学奖。——译者注&nbsp;</td>
    </tr>
  </table>

  <p><span id="filepos0000253962"></span></p>

  <p align="justify" height="0pt" width="0pt"></p>

  <table align="justify" valign="top">
    <tr align="justify" valign="top">
      <td align="justify" valign="top"><a href="../Text/text00001.html#filepos0000242724"><font color="blue"><u>[6]&nbsp;</u></font></a></td>

      <td align="justify" valign="top">海森伯（Heisenberg），1901~1976，他由于发展量子力学的工作而获得1932 年的诺贝尔物理学奖。第二次世界大战以后，他负责指导原联邦德国的原子核研究工作。——译者注&nbsp;</td>
    </tr>
  </table>

  <p><span id="filepos0000254456"></span></p>

  <p align="justify" height="0pt" width="0pt"></p>

  <table align="justify" valign="top">
    <tr align="justify" valign="top">
      <td align="justify" valign="top"><a href="../Text/text00001.html#filepos0000247355"><font color="blue"><u>[7]&nbsp;</u></font></a></td>

      <td align="justify" valign="top">薛定愕（Erwin Schrődinger），1887~1961，他由于对波动力学的研究而获得1933年的诺贝尔物理学奖。——译者注&nbsp;</td>
    </tr>
  </table>

  <p><span id="filepos0000254867"></span></p>

  <p align="justify" height="0pt" width="0pt"></p>

  <table align="justify" valign="top">
    <tr align="justify" valign="top">
      <td align="justify" valign="top"><a href="../Text/text00001.html#filepos0000251181"><font color="blue"><u>[8]&nbsp;</u></font></a></td>

      <td align="justify" valign="top">狄拉克（P. A. M. Dirac），生于1902 年，他由于基本粒子方面的工作而获得1933年的诺贝尔物理学奖。——译者注&nbsp;</td>
    </tr>
  </table>

  <p><span id="filepos0000255313"></span></p>

  <p align="justify" height="0pt" width="0pt"></p>

  <p align="center" height="1em" width="0pt"><font size="7"><b>9. 量子丛林</b></font></p>

  <p align="justify" height="1em" width="2em">嗡……嗡……嗡……</p>

  <p align="justify" height="1em" width="2em">汤普金斯先生从床上坐了起来，撩开被单，猛地一下把闹钟关上，开始意识到这是星期一的早晨，想到该做些什么事。然后他又一次躺下，准备按老习惯再来最后10分钟的小睡。</p>

  <p align="justify" height="1em" width="2em">“嗨，快点起！该起床了！我们已经订好机票了，还记得吗？”这是教授在说话，他就站在床边，手上拎着一只大提箱。</p>

  <p align="justify" height="1em" width="2em">“什么，你说什么？”还有点迷糊的汤普金斯先生坐了起来，一边揉着眼睛，一边嘟哝着。</p>

  <p align="justify" height="1em" width="2em">“我们要去旅行呀。别对我说你已经忘了！”</p>

  <p align="justify" height="1em" width="2em">“旅行？”</p>

  <p align="justify" height="1em" width="2em">“当然是旅行啦。我们要去量子丛林旅行。那个台球房的老板挺不错，他告诉我，用来制作他那些台球的象牙是从哪里弄来的。”</p>

  <p align="justify" height="1em" width="2em">“象牙？可是这几天并没有人要我们去找象牙啊……”</p>

  <p align="justify" height="1em" width="2em">教授不理睬汤普金斯先生的反对，把手伸进提箱的边袋。</p>

  <p align="justify" height="1em" width="2em">“哈，这就是它！”他从箱子的边袋拿出一张地图正式地声明说：“瞧，我已经用红笔把那个区域标出来了。看到了吗？在那个地区里，一切事物都要服从量子规律，那里的普朗克常数非常大。我们得去考察一下。”</p>

  <p align="justify" height="1em" width="2em">这次旅行丝毫没有特色，汤普金斯先生老是在计算时间。最后，飞机终于降落在某个遥远的国度上，那是他们的目的地。据教授说，这是最靠近那个神秘的量子区域的居民点。</p>

  <p align="justify" height="1em" width="2em">“我们需要找一个导游。”他说。但他们很快就发现，要找向导是很困难的。当地的土著显然都对那个量子丛林抱有畏惧的心理，平时从来没有人走近那个地方。不过，后来还是有个看来莽撞而大胆的小伙子挺身而出，他把他那些胆小怯懦的朋友大大取笑了一番，自愿带两个来访者去冒险。</p>

  <p align="justify" height="1em" width="2em">第一件要办的事是去市场买些装备和给养。</p>

  <p align="justify" height="1em" width="2em">“你们得租头大象，我们好骑着它去。”那个小伙子宣布说。</p>

  <p align="justify" height="1em" width="2em">汤普金斯先生对那头庞大的动物看了一眼，心中立刻充满了恐惧。难道人家真的要他爬到大象背上去？！“听着，我可骑不了它，”他声明说，“过去我从来没有做过这样的事。我真的不行。要是骑马嘛，也许还可以。但是，我可不能骑那个。”就在这时，他发现有另一个贩子在卖毛驴，眼睛便亮了起来。“来头毛驴，怎么样？我觉得它挺适合我的身材。”</p>

  <p align="justify" height="1em" width="2em">那小伙子毫不客气地哈哈大笑了，“骑头毛驴去量子丛林？你一定是在开玩笑吧。那就像是骑一匹发怒的野马，你会立刻被摔下来的（如果那头毛驴没有先从你的两腿之间‘漏’过去的话）。”</p>

  <p align="justify" height="1em" width="2em">“啊，”教授喃喃他说，“我开始明白了。这小伙子还确实懂得不少事呢？”</p>

  <p align="justify" height="1em" width="2em">“他吗？”汤普金斯先生说，“我揣摩他是同卖大象的贩子串通一气来骗我们，要我们买下我们不需要的东西的。”</p>

  <p align="justify" height="1em" width="2em">“可是我们确实需要有一头大象。”教授回答说，“在这个地方，别的动物会像我们见过的那些台球四处弥散，我们是不能骑的。我们还得给大象加上一些重的东西。这样一来，它的动量就会变得很大（尽管动量增大得不快），而这又意味着，它的波长将小到微不足道。不久以前我对你说过，位置和速度的测不准性全都取决于质量。质量越大，测不准性越小。这就是我们在普通的世界里，即使是对于像尘埃粒子那么轻的物体，也观察不到量子规律的原因。不错，电子、原子和分子都是服从量子规律的，但一般大小的物体就不是这样了。从另一方面说，在量子丛林中，普朗克常数是很大的，但是，它还不足以使像大象这样重的动物的行为产生惊人的效应。只有非常仔细地检查量子大象的外形，你才能发现它的位置的测不准性。你可能已经注意到，它的皮肤表面并不十分确定，似乎有点模模糊糊。这种测不准性非常缓慢地随时间而增大，我想，这就是本地人传说量子丛林里的老象有很长的长毛的原因了。”</p>

  <p align="justify" height="1em" width="2em">经过一番讨价还价，教授同意了商定的价钱，于是，他和汤普金斯先生便爬上大象，进入那个固定在象背上的框子里，而那个年轻的导游则骑在大象的脖子上。他们开始朝着神秘的丛林出发了。</p>

  <p align="justify" height="1em" width="2em">大约走了一个钟头，他们才来到丛林的外边。当他们进入树林时，汤普金斯先生注意到，虽然周围连一丝风也没有，树上的叶子却都在沙沙作响。他问教授为什么会是这样。</p>

  <p align="justify" height="1em" width="2em">“哦，这是因为我们都在看着它们。”这是教授的回答。</p>

  <p align="justify" height="1em" width="2em">“在看着它们！这同树叶作响有什么关系？”汤普金斯先生喊了起来，“难道它们就这么害羞吗？”</p>

  <p align="justify" height="1em" width="2em">“我可不太喜欢这种说法，”教授笑了，“问题在于，在进行任何观察时，只要你在看着观察的对象，你就免不了要干扰它。在量子丛林中阳光量子所集结成的光束，显然要比我们老家的光束大一些。加上现在的普朗克常数也要大得多，我们就应该料到，这里会是一个非常粗犷的世界。在这里不可能有任何柔和的动作。如果有人想在这里抚弄一只小狗，那么，那只狗要不是根本什么也没有感觉到，就是被第一个‘抚弄量子’折断了脖子。”</p>

  <p align="justify" height="1em" width="2em">当他们穿过树林缓缓行进时，汤普金斯先生一直在思考着。“要是没有人在看着它们，”他问道，“那么，一切物体的表现是不是会正常呢？我的意思是说，那些树叶会不会像我们通常所想的那样不再沙沙作响呢？”</p>

  <p align="justify" height="1em" width="2em">“谁知道呢？”教授想了一下，“要是没有人在看着它们，谁又能知道它们有什么表现？”</p>

  <p align="justify" height="1em" width="2em">“你是说，这与其说是个科学问题，不如说是个哲学问题吗？”</p>

  <p><span id="filepos0000262675"></span></p>

  <p align="justify" height="1em" width="2em">“要是你高兴，你不妨管它叫哲学。很清楚，至少在自然科学中有一个基本原则——永远别空谈那些无法用实验去验证的事物。整个现代物理学理论都是根据这个原则建立起来的。而在哲学中，事情可能不太一样，有些哲学家也许想超出这种限制。例如，德国哲学家康德 <a href="../Text/text00001.html#filepos0000274577"><font color="blue"><u>[1]</u></font></a> 曾经花很多时间去思考物质的性质，但他所考虑的不是物质‘呈现出来’的性质，而是它们‘自在’的性质。对于现代物理学家来说，只有所谓‘可观察量’（也就是像位置和动量这类测量结果）才有意义，而且整个现代物理学都建筑在这些量的相互关系之上……”</p>

  <p align="justify" height="1em" width="2em">就在这时，突然出现一阵嗡嗡响的噪声。他们抬头观望，立刻看到一只很大的黑色飞蝇。它大约比马蝇大一倍，看起来异常凶恶。导游的小伙子大声发出警告，要他们把头低下。他自己却拿出一把蝇拍，立刻开始击打那只来袭的昆虫。那只昆虫变成模模糊糊的一团，然后这模模糊糊的一团又变成一片朦朦胧胧的云，把大象和它的骑士全都包围起来。小伙子现在奋力朝四面八方挥动着蝇拍，但是主要是向云的密度最大的地方打过去。</p>

  <p align="justify" height="1em" width="2em">打着了！他成功地完成了最后一拍。云马上消散不见，可以看到那死虫的尸体突然飞了出去，在空中划出一条弧线，然后落在密密的丛林中的什么地方。</p>

  <p align="justify" height="1em" width="0pt"><img align="baseline" alt="" height="570" src="../Images/Image00056.jpg" width="340" /></p>

  <p align="justify" height="1em" width="2em">打着了！他成功地完成了最后一拍。</p>

  <p align="justify" height="1em" width="2em">“干得好！”教授喊道。小伙子得意洋洋地笑开了。</p>

  <p align="justify" height="1em" width="2em">“我敢说，我完全不明白这一切是怎么回事……”汤普金斯先生嘟哝着。</p>

  <p align="justify" height="1em" width="2em">“实际上并没有什么，”教授回答说，“那只昆虫非常轻。我们最初看到它以后，它的位置便很快随着时间而变得越来越测不准。最后我们就被‘昆虫的概率云’包围住了，就像原子核被‘电子的概率云’包围起来那样。到了这个时候，我们就不再能明确地知道那只昆虫在什么地方了。不过，概率云的密度最大的地方，也是比较有可能找到它的地方。难道你没有看出那小伙子老是优先选择昆虫云密度比较大的地方往下拍吗？这是正确的战术，它提高了蝇拍和昆虫之间发生相互作用的可能性。你应该知道，在这个量子世界里，你是无法进行准确的瞄准，也不能肯定是不是会击中目标的。”</p>

  <p align="justify" height="1em" width="2em">当他们重新开始旅行时，教授又接着往下说：“这正好是在我们老家的世界里只有在小得非常多的尺度上才能发现的事情。电子围绕着原子核的表现，在许多方面都类似于那只昆虫似乎把整头大象都包围起来的表现。不过，对于原子中的电子来说，你完全不必担心它们会像小伙子打着昆虫那样被光子所击中。这种可能性太小了——简直就不可能。要是你把一束光照射到原子上，那么，绝大多数光子都不会起作用，它们将马上穿过原子，根本不产生任何效应。你只能希望也许有一个光子会击中靶心。”</p>

  <p align="justify" height="1em" width="2em">“就像量子世界里那只可怜的小狗在受到抚弄时，不可能不被弄断脖子那样。”汤普金斯先生得出了他的结论。</p>

  <p align="justify" height="1em" width="2em">就在这个时候，他们走出了树林，发现自己正处在一个高高的平台上，下面是一大片开阔地。他们前下方的平原被一行浓密的树分成两半。那行树长在一个干涸了的河床的两岸，从那里一直延伸到看不见的远方。</p>

  <p align="justify" height="1em" width="2em">“瞧，羚羊，一大群呢！”教授指着在那行树右边一群正在安宁地吃草的羚羊激动他说。</p>

  <p align="justify" height="1em" width="2em">但是，汤普金斯先生的注意力却被躺在那行树另一边的动物吸引住了。他看到３只一群的母狮。然后，刚过了一会儿，他又发现了另一群，又一群，再一群……这时，那几群母狮站了起来，各排成一列，平行地朝着那行树跑去。不仅如此，各群之间的距离也完全相同。“多奇怪啊！”他想。这使他想起在老家的地铁站台上从星期一到星期五每天都要碰到的场景，上午7:05，那些定时到来的月票使用者凭长期的经验知道，当列车进站停下时，车门会停在什么地方。而在车门打开时，如果你不是正好站在门口，你就没有机会找到座位。正是因为这样，像汤普金斯先生这样的老手们总是几人挤在一起形成一些小小的群体，按照一定的间隔分布在站台上。</p>

  <p align="justify" height="1em" width="2em">那些母狮全都热切地望着那行树的两个狭窄的缺口。但是，汤普金斯先生还没有来得及问声这里会发生什么事，那行树右边的远处已经突然骚乱起来了。一头孤独的母狮突然从它潜伏的地方跑到开阔地来。羚羊们看到了它，便立刻飞跑起来，莽莽撞撞地朝着那行树的两个缺口冲过去。想逃过这场劫难。</p>

  <p><span id="filepos0000268429"></span></p>

  <p align="justify" height="1em" width="2em">当羚羊们出现在树丛的左边时，最不可思议的事情发生了。它们既不是聚在一起保持原来的群体，也不是四散各自逃命，而是一只只相继排成几行，每了行都直对着一群正在等待它们的母狮跑去。在跑到狮子面前时，这些羚羊神风敢死队员 <a href="../Text/text00001.html#filepos0000274937"><font color="blue"><u>[2]</u></font></a> 当然马上受到攻击并被吃掉了。</p>

  <p align="justify" height="1em" width="0pt"><img align="baseline" alt="" height="732" src="../Images/Image00074.jpg" width="454" /></p>

  <p align="justify" height="1em" width="2em">它们直对着正在等待它们的母狮跑去</p>

  <p align="justify" height="1em" width="2em">汤普金斯先生看得目瞪口呆。“那样做是没有意义的。”他喊道。</p>

  <p><span id="filepos0000269247"></span></p>

  <p align="justify" height="1em" width="2em">“可它们就那样做了，”教授嘟味说，“而且定准会那样做。这是绝对令人神魂颠倒的事。杨氏 <a href="../Text/text00001.html#filepos0000275416"><font color="blue"><u>[3]</u></font></a> 的双光缝。”</p>

  <p align="justify" height="1em" width="2em">“谁的双什么？”汤普金斯先生似乎在悲叹。</p>

  <p align="justify" height="1em" width="2em">“对不起，恐怕我又在说专门术语啦。我想说的是一种实验，在这种实验中，要把光束照射在障碍物的两个狭缝上。如果光束是由粒子组成的（就像从罐子里喷出的香粉那样），那么，在障碍物的另一边就应该出现两个光束，每一束同一个狭缝相对应。但是，如果光束是由波组成的，那么，每一个狭缝便都起着波源的作用，它们发出的波会扩散开来，并且彼此重叠在一起。这两组波的波峰和波谷将彼此混合起来，互相干涉。在某些方向上，这两个波列并不同步，于是一个波列的波峰就同另一个波列的波谷叠在一起，从而互相抵消掉，结果，在这些方向上就什么也没有了。我们把这种情形称为相消干涉。在另一些方向上，我们看到的是完全相反的情形：这时两个波列完全同步，其中一个波列的波峰同另一个波列的波峰叠在一起，与此相似，它们的波谷也叠在一起，它们互相加强，因此，传到这些方向的波就特别强大。这就是我们所说的相长干涉。”</p>

  <p align="justify" height="1em" width="2em">“你是说，在狭缝的后面，在那些发生相长干涉的地方会有一些彼此隔开的光束；而在它们之间，也就是发生相消干涉的地方，就什么东西也没有吗？”汤普金斯先生问道。</p>

  <p align="justify" height="1em" width="2em">“正是这样。并且在狭缝后面出现的不止是两个光束，而可能是许多光束，它们之间的间隔完全相同。它们之间所形成的角度取决于原始光束的波长和两个狭缝之间的距离。在狭缝后面得到的光束多于两个这一事实，证明了这时所碰到的是波，而不是粒子。这个实验被称为‘杨氏双缝实验’，因为正是这个实验使物理学家杨氏得以演示光束是由波构成的。现在，从这里的新版本，”教授朝着下面那个大屠杀的场面做了个手势，“你已经看到了羚羊也具有波的性质。”</p>

  <p align="justify" height="1em" width="2em">“可是我还是不太明白，”仍然感到困惑的汤普金斯先生索性打破沙锅问到底，“为什么羚羊们会做出这种自杀的事呢？”</p>

  <p align="justify" height="1em" width="2em">“它们别无选择，这里的干涉图样决定了它们的去路。对于任何一只具体的羚羊来说，我们无法说它从那行树的两个缺口出现以后会朝着哪个方向跑去。我们事先所能说的，只不过是朝某些方向跑的概率大一些，而朝其他方向跑的概率小一些。但是当羚羊有一大群时，情况就不同了，它们只能够全都穿过那两个缺口去碰运气了。不幸的是，那些母狮都是经验丰富的猎手。它们知道羚羊的平均体重有多大，羚羊又能跑多快，而这二者决定了羚羊的动量和羚羊束的波长。母狮们还知道那行树两个缺口之间的距离，所以，它们便计算出该在什么地方等待，才能让食物自动送上门来。”</p>

  <p align="justify" height="1em" width="2em">“你是说，那些母狮十分精通数学？”汤普金斯先生不太相信地感叹说。</p>

  <p align="justify" height="1em" width="2em">教授笑了：“不，我并不这样想，比起一个需要好好计算出抛物线轨道才知道该怎样接住球的孩子来，它们并不高明多少。我想，这大概只是母狮们的本能判断罢了。”</p>

  <p align="justify" height="1em" width="2em">当他们再进行观察时，那头最初把羚羊群吓跑的母狮已经加入一群母狮中去分享它应得的食物了。</p>

  <p align="justify" height="1em" width="2em">“好好看着它，”教授评论说，“你有没有注意到，它是多么慢悠悠地穿过那行树的缺口的？它显然是想弥补它的质量比一般羚羊大所产生的后果。由于运动得比较慢，它可以具有与羚羊相同的波长。这样一来，就能保证它自己会被衍射到羚羊们所遵循的一个方向上去，从而获得一份食物。那些搞进化论的生物学家们确实应该花点时间到野外来，研究生物在这样的环境下所选择的种种行为……”</p>

  <p align="justify" height="1em" width="2em">他的话被一阵快节奏的嗡嗡声打断了。</p>

  <p align="justify" height="1em" width="2em">“注意！”那个导游喊道，“又有一只飞虫要袭击我们啦！”</p>

  <p align="justify" height="1em" width="2em">汤普金斯先生急忙把脑袋缩下，为了加强防护，还把衣服拉起来盖在头上。其实，那并不是他的衣服，而是他的被单。同时，那个声音也不是来袭的量子昆虫发出的，而是来自他床头的闹钟。</p>

  <p align="justify" height="1em" width="0pt"><img align="baseline" alt="" height="232" src="../Images/Image00076.jpg" width="363" /></p>

  <p><span id="filepos0000274577"></span></p>

  <p align="justify" height="0pt" width="0pt"></p>

  <table align="justify" valign="top">
    <tr align="justify" valign="top">
      <td align="justify" valign="top"><a href="../Text/text00001.html#filepos0000262675"><font color="blue"><u>[1]&nbsp;</u></font></a></td>

      <td align="justify" valign="top">康德（Kant），1724~1804，唯心主义哲学家，不可知论者。——译者注&nbsp;</td>
    </tr>
  </table>

  <p><span id="filepos0000274937"></span></p>

  <p align="justify" height="0pt" width="0pt"></p>

  <table align="justify" valign="top">
    <tr align="justify" valign="top">
      <td align="justify" valign="top"><a href="../Text/text00001.html#filepos0000268429"><font color="blue"><u>[2]&nbsp;</u></font></a></td>

      <td align="justify" valign="top">神风队，是第二次世界大战后期日本军国主义者在垂死挣扎中组织的飞行队，队员每人驾驶一架装满炸弹的飞机，以自杀的方式冲击美军的战舰。——译者注&nbsp;</td>
    </tr>
  </table>

  <p><span id="filepos0000275416"></span></p>

  <p align="justify" height="0pt" width="0pt"></p>

  <table align="justify" valign="top">
    <tr align="justify" valign="top">
      <td align="justify" valign="top"><a href="../Text/text00001.html#filepos0000269247"><font color="blue"><u>[3]&nbsp;</u></font></a></td>

      <td align="justify" valign="top">杨氏（Thomas Young）1773~1829，英国物理学家，他用正文中所说的实验第一次证明了光的波动性。——译者注&nbsp;</td>
    </tr>
  </table>

  <p><span id="filepos0000275857"></span></p>

  <p align="justify" height="0pt" width="0pt"></p>

  <p align="center" height="1em" width="0pt"><font size="7"><b>10. 麦克斯韦的妖精</b></font></p>

  <p align="justify" height="1em" width="2em">在过去的几个月里，汤普金斯先生和慕德经常一起去参观美术馆和画廊，议论他们所看过的展览会的优缺点和其他问题。他千方百计尽力给她讲解他最近刚认识到的量子物理学的奥秘。由于他有个数字头脑，当她需要同商人和美术馆馆主处理一些业务上的问题时，他所提供的帮助也一直被证明是很有价值的。</p>

  <p align="justify" height="1em" width="2em">在一个适当的时机，他终于鼓起勇气向她求婚，并且非常高兴地得到她的同意。他们决定就在诺尔顿庄园安家，这样，她就不必放弃她的画室了。</p>

  <p align="justify" height="1em" width="2em">一个星期六上午，他们在等待她父亲过来共进午餐。慕德坐在沙发上阅读最新一期的《新科学家》，汤普金斯先生则在餐桌边替她把税单归类。在挑出一堆美术用品的发票时，他不由得评论说：“我看，我是无法早点退休了，靠我太太的收入生活啦——一点门也没有。”</p>

  <p align="justify" height="1em" width="2em">“我呢，我也看不出咱俩能够靠你的收入生活。”她头也不抬地回答说。</p>

  <p align="justify" height="1em" width="2em">汤普金斯先生叹了口气，把单据收起来放入文件夹里，然后拣起报纸同慕德一起坐在沙发上。在翻到副刊彩页时，他的注意力被一篇关于赌博的文章吸引住了。</p>

  <p align="justify" height="1em" width="2em">“嗨，”过了片刻，他突然说道，“我看，我找到答案了。有一种包赢不输的赌博方法。”</p>

  <p align="justify" height="1em" width="2em">“是吗？”慕德心不在焉地嘟哝说，继续读着她的杂志，“谁说的？”</p>

  <p align="justify" height="1em" width="2em">“这张报纸上说的。”</p>

  <p align="justify" height="1em" width="2em">“报纸上说的，那大概是真的啦。”她半信半疑他说。</p>

  <p align="justify" height="1em" width="2em">“绝对是真的。你来瞧瞧，慕德，”汤普金斯先生回答说，同时把那篇文章指给她看，“我不知道别种赌法怎么样，但这一种是根据又纯粹又简单的数学建立起来的，我确实看不出它怎么有可能出毛病。你所需要做的一切，只不过是在纸上写下</p>

  <blockquote align="justify" height="1em" width="0pt">
    1，2，3
  </blockquote>

  <p align="justify" height="1em" width="2em">这几个数字，然后按照这里所说的简单规则去做就行了。”</p>

  <p align="justify" height="1em" width="0pt"><img align="baseline" alt="" height="191" src="../Images/Image00101.jpg" width="195" /></p>

  <p align="justify" height="1em" width="2em">你可以包赢不输</p>

  <p align="justify" height="1em" width="2em">“好吧，让我们试试看，”慕德说，她开始感兴趣了，“按什么规则？”</p>

  <p><span id="filepos0000278918"></span></p>

  <p align="justify" height="1em" width="2em">“你就按文章里那个例子做吧，这大概是学习这些规则的最好的办法了。根据文章里的说明，他们玩的是轮盘赌 <a href="../Text/text00001.html#filepos0000312023"><font color="blue"><u>[1]</u></font></a> 。这时你应该把钱押在红格或黑格上，就像扔硬币猜正、背面一样。好，现在我写下</p>

  <blockquote align="justify" height="1em" width="0pt">
    1，2，3
  </blockquote>

  <p align="justify" height="1em" width="2em">规则是：我出的赌注应该永远等于这个数列头尾两个数字之和。因此，我现在应该出1加3，也就是4根筹码， 并把它押在比方说红格上。如果我赢了，我就得把1和3这两个数字砍掉，这样，我下一次的赌注就必定是剩下的数字2了。如果我输了， 我应该把输掉的数目添在上面那个数列的末尾，并且按同样的规则找出下一次的赌注应该是多少。好，现在假定球停在黑格子里，结果，赌场的庄家把我的4根筹码扒进去了。 这样一来，我的新数列应该是</p>

  <blockquote align="justify" height="1em" width="0pt">
    1，2，3，4
  </blockquote>

  <p align="justify" height="1em" width="2em">所以我下一次出的赌注是1加4，即等于5。 假定我第二次又输了。这篇文章说，我还得按同样的方法继续干下去， 把数字5添到数列的末尾，并在赌桌上押6根筹码。”</p>

  <p align="justify" height="1em" width="2em">“你这一次可得赢了！”慕德喊道，她显得十分激动，“你总不能老输下去呀。”</p>

  <p align="justify" height="1em" width="2em">“没关系的。”汤普金斯先生说，“我小时候同小朋友猜硬币，有一回竟接连出现10次正面，信不信由你。不过，就让我们按照文章里所说的那样，假定我这次赢了。这样，我就收进了12根筹码，但是，比起我原来的赌本来，我现在还亏3根筹码。 按照这篇文章的规则，我得把1和5这两个数字砍掉，于是，我的数列现在变成</p>

  <blockquote align="justify" height="1em" width="0pt">
    2，3，4
  </blockquote>

  <p align="justify" height="1em" width="2em">我下一次的赌注应该是2加4，也就是说，仍旧等于6根筹码。”</p>

  <p align="justify" height="1em" width="2em">“文章说，这一次你又该输了，”慕德叹了一口气，她这时正越过她丈夫的肩膀读着那篇文章，“这就是说， 你应该把6这个数字添到数列的末尾，下一次该出8根筹码。是不是这样？”</p>

  <p align="justify" height="1em" width="2em">“对，完全正确。可是我又输了。现在我的数列变成</p>

  <blockquote align="justify" height="1em" width="0pt">
    2，3，4，6，8
  </blockquote>

  <p align="justify" height="1em" width="2em">因此，这一次我该出10根筹码。好，赢了。我把数字2和8砍掉，下一次的赌注是3加6等于9。但是，我又输了。”</p>

  <p align="justify" height="1em" width="2em">“这是个糟糕透顶的例子，”慕德噘着嘴说，“到目前为止，你已经输了5次，才只赢了2次。这太不公道了！”</p>

  <p align="justify" height="1em" width="2em">“没关系，没关系，”汤普金斯先生带着魔术家的充分自信说，“到这个回合结束的时候，我们准能赢钱。 我上一次输掉9根筹码，所以，我得把这个数字添到数列的后面，使它变成</p>

  <blockquote align="justify" height="1em" width="0pt">
    3，4，6，9
  </blockquote>

  <p align="justify" height="1em" width="2em">并出12根筹码。这次我赢了，所以我把数字3和9砍掉，用剩下的两个数字之和，也就是10根筹码作为赌注。我又接着赢一次，于是，这个回合便结束了，因为现在所有数字都已经统统砍掉。这样，尽管我只赢了4次，却输了5次，但我还是净赢了6根筹码。”</p>

  <p align="justify" height="1em" width="2em">“你真的有把握说你赢了6根筹码？” 慕德有点怀疑他说。</p>

  <p align="justify" height="1em" width="2em">“完全有把握。你瞧，这种赌法就是这样安排的：只要结束一个回合，你就总能赢6根筹码。 你可以用简单的算术来证明这一点，所以我说，这种赌法是一种数学赌法，它是不可能失效的。要是你还不相信，你可以拿张纸自己检验检验。”</p>

  <p align="justify" height="1em" width="2em">“好吧，我相信你说的，这确实是种包赢的赌法，”慕德体贴他说，“不过，6根筹码当然不算是大赢了。”</p>

  <p align="justify" height="1em" width="2em">“如果你有把握在每一个回合的终了都赢到6根筹码， 这可就是大赢了。你可以一次又一次重复这种做法，每一次都从1、2、3开始，而最后你想有多少钱就会有多少钱。 这不是再好不过的事吗？”</p>

  <p align="justify" height="1em" width="2em">“妙极了！”慕德兴奋他说，“那时你就可以提前退休了。”</p>

  <p><span id="filepos0000283919"></span></p>

  <p align="justify" height="1em" width="2em">“不过，我们最好首先赶快到蒙特卡洛 <a href="../Text/text00001.html#filepos0000312588"><font color="blue"><u>[2]</u></font></a> 去。肯定已经有许多人读过这篇文章了，要是我们到了那里只能看到别人已经赶在我们前面，把赌场弄得一家家关门大吉，那可就太糟了。”</p>

  <p align="justify" height="1em" width="2em">“我这就给航空公司打电话，”慕德自告奋勇说，“问问下一班客机什么时候起飞。”</p>

  <p align="justify" height="1em" width="2em">“你们这是在忙些什么？”在过道里响起一个熟悉的声音，慕德的父亲走了进来，他惊讶地看了看这对非常兴奋的夫妇。</p>

  <p align="justify" height="1em" width="2em">“我们想乘下一班客机去蒙特卡洛，等我们回来的时候，我们就变成大富翁了。”汤普金斯先生说，一面站起来迎接教授。</p>

  <p align="justify" height="1em" width="2em">“啊，我知道了，”教授笑了一笑，把自己安顿在壁炉旁边一张舒适的老式沙发里，“你们找到了一种新的赌法？”</p>

  <p align="justify" height="1em" width="2em">“不过，这回的赌法真的是包赢的，爸！”慕德声明说，她的手还放在电话机上。</p>

  <p align="justify" height="1em" width="2em">“真的，”汤普金斯先生补充说，他把报纸拿给教授看，“这篇文章是不该漏掉的。”</p>

  <p align="justify" height="1em" width="2em">“不该漏掉吗？”教授笑着说，“好，那就让我们看看吧。”他很快地翻阅了这篇文章以后，继续说，“这种赌法的一个突出的特点，就是那个指导你怎样出赌注的规则，要求你每次输钱以后都要增加赌注，但每次赢钱以后却要减小赌注。这样，要是你非常有规律地交替输赢，你的赌本就会不断上下起伏，不过，每一次增加的数量都比上一次减小的数量稍稍多一点。在这种情况下，你当然很快就会变成百万富翁了。但是，你肯定也知道，这样的规律性通常是不存在的。事实上，发生这种有规律的输赢的机会，是同接连赢那么多次的机会一样小的。因此，我们就必须看看，如果你接连赢几次或接连输几次，会产生什么样的后果。要是你走了赌徒们所说的那种红运，那么，这里的规则要求你每次赢钱以后都减少——至少是不再增加——你的赌注，所以，你所赢得的总数就不会大多。但是，由于你每次输钱以后都得增加赌注，所以，你一旦走了厄运，就会出现巨大的灾难，它可能把你弄得倾家荡产。现在你可以看出，那条代表你赌本变化情况的曲线有几个缓慢上升的部分，而中间却插入一些非常急剧的下降部分。在开始赌博的时候，你似乎能够一直保持在曲线那个缓慢上升的部分，那时，由于注意到你的钱正在缓慢然而可靠地增多，你会暂时体验到一种欣慰的感觉。但是，如果你赌得相当久，希望越赢越多，你就会出乎意料地碰到一次急剧的下降，下降的深度可能等于你的全部赌本，一下子让你把最后一分钱都输掉。我们可以用十分普通的办法证明，不管是这种赌法还是任何其他赌法，曲线升高一倍的概率是同它降到零的概率是相等的。换句话说，你最后赢钱的机会，正好等于你一次把所有的钱押在红格或黑格上、一下子把赌本增加一倍或者一下子全部输光的机会。所有这类赌法所能办到的，只不过是延长赌博的时间，让你对赢钱产生更大的兴趣罢了。但是，如果这就是你所想达到的全部目的，那么，你根本用不着弄得这么复杂。你知道，有一种轮盘上有36个数字，你尽可以每次押35个数字，只留下一个不押。这样，你赢钱的机会是35/36，每赢一次，除了你赌注中所押的35根筹码以外，庄家还得再付给你一根筹码；在轮盘转36次当中，大约有一次转球会停在你选好没有押筹码的那个数字上，这一来，你出的35根筹码便全部输了。按这种办法赌下去，只要时间足够长，你的赌本的起伏曲线就会和你按这张报纸的赌法得到的曲线完全相同。</p>

  <p align="justify" height="1em" width="2em">“当然罗，我刚才一直是假定庄家没有设空门统吃这一格的。但事实上，我所看到的每一个轮盘上，都没有‘零’这一格，有时甚至有两格，这是给开赌人留的彩头，对下赌注的人很不利。因此，不管赌钱的人采用什么赌法，他们的钱总是会逐渐从他们的腰包里跑到赌场主的钱柜中去。”</p>

  <p align="justify" height="1em" width="2em">“你的意思是说，”汤普金斯先生完全泄气了，“根本不存在什么包赢不输的赌法，没有一种赢钱的方法是不必冒更可能输钱的风险的？”</p>

  <p align="justify" height="1em" width="2em">“这正是我的意思，”教授说，“不仅如此，我刚才所说的不但适用于赌博这种比较不重要的问题，并且也适用于许多乍一看来似乎同概率定理毫无关系的物理现象。说到这一点，要是你能够设计出一种突破概率定理的系统，那么，人们所能做到的事就要比赢几个钱更令人振奋得多了。那时，你可以生产不烧汽油就能跑的汽车，可以建造不烧煤就能运转的工厂，还可以制造许多别的稀奇古怪的东西。”</p>

  <p align="justify" height="1em" width="2em">“我好像在什么地方读过关于这种假想机器的文章，我想，它们被称为永动机，”汤普金斯先生说，“要是我没有记错的话，这种不用燃料就能开动的机器，已被证明是不可能实现的，因为谁也不能无中生有地产生出能量来。不过，这类机器同赌博没有丝毫关系啊。”</p>

  <p align="justify" height="1em" width="2em">“你说得很对，我的孩子，”教授表示同意，他很高兴他能把女婿的注意力从赌博引开，回到他自己喜欢的物理学上来，“这类永动机——人们管它叫‘第一类永动机’——是不可能实现的，因为它同能量守恒定律相矛盾。不过，我刚才所说的不烧燃料的机器属于另一种不同的类型，人们通常把它称为‘第二类永动机’。人们设计这类永动机，并不希望能够无中生有地产生能量，而是希望它们能够从我们周围的热库中——大地、海水和空气——把能量提取出来。例如，你可以设想有一艘轮船，它的锅炉也冒着蒸汽，可它并不是依靠烧煤，而是依靠从周围水中提取的热量。事实上，如果真的有可能迫使热量从较冷的物体流到较热的物体上去，那么，不用我们正在使用的其他办法，我们就能造出一种机器，让它把海水抽上来，取出海水中所含的热量，然后再把剩下的冰块推回海里去。当１升冷水凝结成冰时，它所释放出的热量足够把另１升冷水加热到接近沸点。要是能用这样的机器来工作，世界上每一个人就都能够像拥有一种包赢不输的赌法的人那样，过着无忧无虑的生活了。遗憾的是，这两者是同样不可能实现的，因为它们同样违反了概率定理。”</p>

  <p align="justify" height="1em" width="2em">“关于从海水中提取热量来产生轮船锅炉中的蒸汽是一种荒唐的想法，这一点我倒是接受得了的，”汤普金斯先生说，“不过，我实在看不出这个问题同概率定理有什么关系。你肯定没有提出，应该用骰子和轮盘来充当这种不用燃料的机器的运动部件不是吗？”</p>

  <p align="justify" height="1em" width="2em">“我当然不会这样建议啦！”教授大声笑说，“起码，我不认为哪个永动机的发明者会提出这样的建议，哪怕他是最想入非非的一个。问题在于，热过程本身就其本质而论，是同扔骰子非常相似的；希望热量从较冷的物体流到较热的物体上，就等于希望金钱从赌场主的钱柜流到你的腰包里。”</p>

  <p align="justify" height="1em" width="2em">“你是说，赌场主的钱柜是冷的，我的腰包是热的了？”汤普金斯先生问道，他现在觉得非常困惑。</p>

  <p align="justify" height="1em" width="2em">“是的，从某种意义上说就是这样，”教授回答说，“要不是你漏听我上星期那次演讲的话，你就会明白，热并不是什么别的，而只不过是无数粒子——也就是构成一切物质的所谓原子和分子——在作快速的。不规则的运动。这种分子运动进行得越迅猛，物体就显得越热。由于这种分子运动非常不规则，它就要遵守概率定理。我们很容易证明，一个由大量粒子构成的系统最可能实现的状态，必定相当于现有的总能量在粒子间或多或少均匀分布的状态。如果物体的一部分受到热，也就是说，如果在这个区域内分子开始运动得比较快，那么，我们应该预料到，这个额外的能量将通过大量偶然的碰撞，很快分给所有其他粒子。不过，由于碰撞是纯属偶然的，也有可能发生这样一种情况，即仅仅出于偶然的机会，某一组粒子可能牺牲别的粒子，多得到一部分现有的能量。热能这样自发集中在物体某一特定的部分，就相当于热量逆着温度梯度流动，从原理上说，我们是不能排除这种可能性的。但是，要是谁去计算发生热量这种自发集中的相对概率，他所得到的数值将非常非常之小，因此，实际上可以认为这种现象是根本不可能发生的。”</p>

  <p align="justify" height="1em" width="2em">“哦，现在我明白了，”汤普金斯先生说，“你是说，这种第二类永动机偶尔也能够工作，但发生这种情况的机会非常之小，就像一次扔100个骰子，100个骰子都是6的机会那么小。”</p>

  <p align="justify" height="1em" width="2em">“可能性比这还要小得多，”教授说，“事实上，在同大自然赌博时，我们赌赢的概率是那么微小，甚至连想找些字眼来形容它都很困难。举个例子吧，我可以计算出这个房间里的所有空气全部自动集中在桌子下面，而让其余地方处处成为绝对真空的机会有多大。这时，你一次扔出的骰子的数目应该等于这个房间里空气分子的数目，所以，我必须知道这里有多少个分子。我记得，在大气压力下，一立方厘米空气所包含的分子数是一个20位数，所以，这整个房间里的空气分子大约是27位数的数字。桌子下面的空间大致是这个房间总体积的1/100， 因此，任何一个特定的分子正好处在桌子下面，而不处在别的地方的机会也是1/100。 这样，要算出所有分子一下子全处在桌子下面的机会，就必须用1/100乘以1/100，再乘以1/100， 这样一直乘下去，直到对房间里的每一个分子都乘完。我这样得到的结果，将是一个在小数点后面有54个零的小数。”</p>

  <p align="justify" height="1em" width="2em">“唷！”汤普金斯先生叹了一口气，“我当然不能把赌注押在这样小的机会上了！但是，这一切岂不是意味着偏离均匀分布的情形干脆就不可能发生吗？”</p>

  <p align="justify" height="1em" width="2em">“正是这样，”教授同意说，“你可以把我们不会因为所有空气全部处在桌子下面而窒息致死看做是一个真理；也正因为这样，你酒杯中的液体才不会自动开始沸腾。但是，如果你所考虑的区域小得多，它所包含的分子（骰子）的数目就少得多，这时，偏离统计分布的可能性就大得多了。例如，就在这个房间里，空气分子通常就会自发地在某些地点上聚集得比较多一些，从而产生暂时的不均匀性，这就叫做密度的统计涨落。当阳光通过地球的大气时，这种不均匀性会使光谱中的蓝光发生散射，从而使天空呈现我们所熟悉的蓝色。如果没有这种密度涨落存在，天空就会永远完全是黑的，那时，即使在大白天，星星也会变得清晰可见了。同样，当液体的温度升高到接近沸点时，它们会稍稍呈乳白色，这也可以用分子运动的不规则性所产生的类似密度涨落来解释。不过，这种涨落是极不可能大规模发生的、大尺度的涨落，我们可能几十亿年也看不到一次。”</p>

  <p align="justify" height="1em" width="2em">“但是，就是现在，并且就在这个房间里，也仍然存在着发生这种不寻常事件的机会，”汤普金斯先生固执他说，“不是吗？”</p>

  <p align="justify" height="1em" width="2em">“是的，当然是这样，并且谁也没有理由坚持说，一碗汤不可能由于其中有一半分子偶然获得同一方向的热速度，而自动地整碗翻倒在台布上。”</p>

  <p align="justify" height="1em" width="2em">“这样的事就在昨天才发生过呢，”慕德插话说，她现在已看完她的杂志，对讨论产生兴趣了，“汤洒出来了，而阿姨说，她连碰也没有碰到桌子。”</p>

  <p><span id="filepos0000297386"></span></p>

  <p align="justify" height="1em" width="2em">教授咯咯地笑了起来。“在这个特殊的场合下嘛，”他说，“我揣摩，应该对这件事负责的是那个阿姨，而不是麦克斯韦 <a href="../Text/text00001.html#filepos0000312938"><font color="blue"><u>[3]</u></font></a> 的妖精。”</p>

  <p align="justify" height="1em" width="2em">“麦克斯韦的妖精？”汤普金斯先生重复了一遍，他感到十分奇怪。“我本来还以为科学家是最不相信妖精鬼怪这类东西的人哩。”</p>

  <p align="justify" height="1em" width="2em">“不过，我这样说并不是很认真的，”教授说，“麦克斯韦是一个著名的物理学家，他应该对这个名词负责。可是，他引进这样一个统计学妖精的概念，只不过是为了把话说得形象化一些而已。他用这个概念来阐明关于热现象的辩论。麦克斯韦把他这个妖精设想成一个动作非常敏捷的小伙子，他能够按照你的命令去改变每一个分子的运动方向。如果真的有这样一个妖精，那么热量就有可能从较冷的物体流到较热的物体上去，这时热力学的基本定律——熵恒增加原理——就一文不值了。”</p>

  <p align="justify" height="1em" width="2em">“熵吗？”汤普金斯先生重复了一次，“我以前听到过这个名词的。有一次，我的一个同事举行酒会，在喝了几杯以后，他请来的几个学化学的大学生就用流行歌曲的调子，开始唱了起来：</p>

  <blockquote align="justify" height="1em" width="2em">
    增增，减减，
  </blockquote>

  <blockquote align="justify" height="1em" width="2em">
    减减，增增，
  </blockquote>

  <blockquote align="justify" height="1em" width="2em">
    我们要熵怎么办，
  </blockquote>

  <blockquote align="justify" height="1em" width="2em">
    要它减来还是增？
  </blockquote>

  <p align="justify" height="1em" width="2em">不过，说到头，熵到底是什么东西呢？”</p>

  <p><span id="filepos0000299337"></span></p>

  <p align="justify" height="1em" width="2em">“这倒不难解释。‘熵’只不过是个术语，它所描述的是任何一个指定的物体或物理系统中分子运动的无序程度。分子之间的大量无规则的碰撞总是倾向于使熵增大，因为绝对的无序是任何一个统计系统最可能实现的状态。不过，如果麦克斯韦的妖精真的存在的话，他很快就会使分子的运动遵循某种秩序，就像一只好的牧羊狗能够把羊群聚拢起来，使羊群沿着道路前进一样。这时，熵就会开始减小。我还应该告诉你，玻耳兹曼 <a href="../Text/text00001.html#filepos0000313391"><font color="blue"><u>[4]</u></font></a> 根据所谓Ｈ定理，在科学中引进了……”</p>

  <p><span id="filepos0000300070"></span></p>

  <p align="justify" height="1em" width="2em">教授显然忘记了同他谈话的人对物理学实际上几乎一无所知，根本达不到大学生的水平，所以他在继续往下讲的时候，使用了许多像“广义参数”啦。“准各态历经系统”啦这类极为生僻的术语，而且还自以为正在把热力学的基本定律及其与吉布斯 <a href="../Text/text00001.html#filepos0000313844"><font color="blue"><u>[5]</u></font></a> 统计力学的关系讲得像水晶那么透彻哩。汤普金斯先生已经耳惯于听他岳父作这种他理解不了的长篇大论，所以他就以逆来顺受的哲学家风度吸着他那杯加苏打水的苏格兰威士忌，努力装出很有心得的样子。但是，统计物理学的这一切精华对于慕德来说肯定是太深奥了，她把身子蜷缩在沙发上，想尽办法使眼睛不致闭上。最后，为了把瞌睡赶走，她决定去看看晚饭做得怎么样了。</p>

  <p align="justify" height="1em" width="2em">“夫人要什么东西？”当她走进餐室时，一个穿得很雅致的高个儿厨师向她鞠了一躬，彬彬有礼地问道。</p>

  <p><span id="filepos0000301199"></span></p>

  <p align="justify" height="1em" width="2em">“什么也不要，我是来同你一块干活的，”她说，心中奇怪为什么会有这样一个人。这显然是桩特别古怪的事，因为他们从来没有男厨师，也肯定雇不起男厨师。这个人细高的个儿，橄榄色的皮肤，长着一个又长又尖的鼻子，那双绿色的眼睛似乎炽燃着一种奇怪的、强烈的火焰。当慕德注意到他额上的黑发中半露出两个对称的肉肿块 <a href="../Text/text00001.html#filepos0000314277"><font color="blue"><u>[6]</u></font></a> 时，她的脊梁上闪过了一阵寒栗。</p>

  <p><span id="filepos0000301797"></span></p>

  <p align="justify" height="1em" width="2em">“也许是我在做梦，”她想，“要不然，这就是靡菲斯特 <a href="../Text/text00001.html#filepos0000314648"><font color="blue"><u>[7]</u></font></a> 本人直接从歌剧院跑出来了。”</p>

  <p align="justify" height="1em" width="2em">“是我的丈夫雇你来的吗？”她大声问道，因为她总得说点什么呀。</p>

  <p align="justify" height="1em" width="2em">“完全不是，”这个古怪的厨师回答说，他极艺术地敲了敲餐桌，“事实上，我是自愿上这里来的，为的是向你那高贵的父亲证明，我并不像他所认为的那样是个虚构的人物。请容许我自我介绍一下，我就是麦克斯韦的妖精。”</p>

  <p align="justify" height="1em" width="2em">“啊！”慕德松了一口气，“那么，你大概不像别的妖精那么叫人讨厌，你丝毫没有害人的意图。”</p>

  <p align="justify" height="1em" width="2em">“当然没有啦，”妖精宽宏大量地笑了笑，“不过，我很喜欢开玩笑，现在我就想同你父亲开个玩笑。”</p>

  <p align="justify" height="1em" width="2em">“你想干什么？”慕德问道，她的疑虑还没有完全消除。</p>

  <p align="justify" height="1em" width="2em">“我只是想向他表明，如果让我来办，熵恒增加定律就会彻底完蛋。为了让你相信我能够做到这一点，我冒昧地请你陪我走一趟。这根本不会有任何危险，我向你保证。”</p>

  <p align="justify" height="1em" width="2em">妖精说完这些话以后，慕德感到他的手紧紧抓住她的手肘，同时，她周围的每一件东西都突然变得非常古怪。她餐室中所有熟悉的物体开始以可怕的速度变大，她向一张椅背看了最后一眼，它已经把整个地干线都遮住了。当一切最后平静下来的时候，她发现她自己正被她的同伴挽着，飘浮在空中。许多像网球那么大、看起来模模糊糊的球，从四面八方掠过他们的身边，但是，麦克斯韦的妖精巧妙地使他们不致撞上任何看来有危险的东西，慕德向下一看，看到一个外表很像渔船的东西，似乎直到船舷的边缘，都堆满了还在颤动着的。闪闪发光的鱼。不过，这并不是鱼，而是无数模模糊糊的球，非常像在空中从他们身旁飞过的那些，妖精把她带到更临近的地方，这时，她的周围似乎就是一片粗粉粥的海洋。这个海洋在不断翻腾着，有些球浮升到表面上，有些球则似乎在往下沉。偶尔有一个球以那样快的速度猛冲到表面上，甚至突出表面闯到空中来，有时在空中飞的球也有一两个潜入海中，消失在千千万万个其他小球的下面。慕德在更仔细地观察这种粥以后，发现里面实际上有两种不同的球。如果说其中大多数看来很像网球，那么，那种比较大也比较长的，则更像美国的橄榄球。所有的球都是半透明的，并且似乎具有一种复杂的、慕德无法形容的内部结构。</p>

  <p align="justify" height="1em" width="0pt"><img align="baseline" alt="" height="675" src="../Images/Image00110.jpg" width="398" /></p>

  <p align="justify" height="1em" width="2em">我们这是在哪里？阴间地府就是这个样子吗？</p>

  <p align="justify" height="1em" width="2em">“我们这是在哪里？”慕德气喘吁吁他说，“阴间地府就是这个样子吗？”</p>

  <p align="justify" height="1em" width="2em">“不，”妖精笑了，“别异想天开了，我们只不过是在对威士忌液体的很小一部分表面进行细致的观察罢了。当你父亲在阐述准各态历经系统的时候，你的丈夫就是靠这种饮料才没有打瞌睡的。这些球全都是分子。比较小的圆球是水分子，而比较大、比较长的那种是乙醇分子。如果你留心算一算这两种球的数目的比例，你就会认识到，你丈夫为他自己搅拌的是一种多么烈性的饮料了。”</p>

  <p align="justify" height="1em" width="2em">“这倒非常有意思，”慕德尽量显出严厉的神情说，“可是，上面那些看来像一对对正在戏水的鲸鱼样的东西是什么呢？它们不可能是原子鲸鱼吧，对吗？”</p>

  <p><span id="filepos0000306056"></span></p>

  <p align="justify" height="1em" width="2em">妖精朝慕德所指的方向看去。“不，它们决不是鲸鱼，”他说，“事实上，它们是烧糊了的大麦的非常细小的碎片，正是这种配料使威士忌具有它独特的香味和颜色。每一块这样的碎片都是由几百万以至于几千万个复杂的有机分子组成的，所以它们比较大，也比较重。你看到它们老在转来转去，这是它们被那些因热运动而变得非常活跃的水分子和乙醇分子的撞击，才产生了这种活动。科学家们就是通过研究这种中等大小的粒子，才第一次直接证明了热的分子运动理论，因为这样的粒子小到能够受分子运动的影响，却又大到可以用高倍数显微镜来观察。测量这样悬浮在液体中的微粒所表演的塔兰台拉舞 <a href="../Text/text00001.html#filepos0000315043"><font color="blue"><u>[8]</u></font></a> （即通常所谓布朗运动）的强度，物理学家们就能够得到关于分子运动能量的第一手情报资料。”</p>

  <p align="justify" height="1em" width="2em">然后，妖精把她带到一堵庞大的墙壁跟前，这堵墙是用数不清的水分子像砌砖那样一个紧挨一个整齐地砌在一起筑成的。</p>

  <p align="justify" height="1em" width="2em">“多么动人啊！”慕德赞叹他说，“这正是我一直想给我画的那张肖像寻找的背景图案。这座漂亮的建筑物究竟是什么东西？”</p>

  <p align="justify" height="1em" width="2em">“噢，这是一块冰晶体的一部分，是你丈夫杯子里的许多小冰晶当中的一块，”妖精说，“现在，要是你不见怪的话，我该开始跟那位自信的老教授开个玩笑了。”</p>

  <p align="justify" height="1em" width="2em">说着，麦克斯韦的妖精便让慕德像个不幸的爬山者那样，战战兢兢地坐在那块冰晶体的边缘上，他自己却开始工作了。他拿起一个像网球拍那样的器械，不断猛击着他周围的分子。他东一下，西一下，总是正好及时地击中每一个坚持沿错误方向飞行的顽固分子，使它们朝正确方向前进。尽管慕德所处的位置非常危险，她还是情不自禁地欣赏起他那奇妙的速度和准确度来，每当他成功地使一个飞得特别快、特别难击中的分子折回去，她就非常兴奋地为他喝彩。比起她现在目睹的这场表演来，她过去看到过的网球冠军似乎都是些毫无希望的笨蛋了。在短短的几分钟里，妖精的工作成果已经十分显著了。这时候，尽管液体表面上覆盖着一些运动非常缓慢的。不活跃的分子，但直对着她脚下的那一部分却比任何时候都更加激烈地翻腾着。在蒸发过程中，从表面跑掉的分子在迅速地增多。现在，它们成千成万个结合在一起跑掉，就像一个个大气泡那样闯入空中。然后，一片由蒸汽形成的云雾遮住了慕德的整个视场，她只能偶尔看到球拍或妖精外衣的后摆在大量狂乱的分子之间闪动。突然，妖精来到她身边。</p>

  <p align="justify" height="1em" width="2em">“快，”他说，“该走开了。要不，我们会被烫死的。”</p>

  <p align="justify" height="1em" width="2em">说着，他牢牢地抓住她的时子，同她一块腾空而起。现在她发现自己正在院子的上空翱翔，朝下看着她的父亲和丈夫。她父亲正在地上跳着。</p>

  <p align="justify" height="1em" width="2em">“可怕的熵啊！”她父亲大声喊道，汤普金斯先生那杯酒使他大惑不解，“那杯威士忌在沸腾着！”</p>

  <p align="justify" height="1em" width="0pt"><img align="baseline" alt="" height="324" src="../Images/Image00041.jpg" width="424" /></p>

  <p align="justify" height="1em" width="2em">那杯威士忌在沸腾着</p>

  <p align="justify" height="1em" width="2em">杯子里的液体被迅猛冒出的气泡盖住了，一朵稀薄的蒸汽云向天花板袅袅升起。但是，最最古怪的是，饮料中只有一块冰晶周围的很小一个区域在沸腾，其余的饮料仍旧是非常冷的。</p>

  <p align="justify" height="1em" width="2em">“想想看！”教授依然处在畏惧之中，连声音都有点发抖，“我正在这里给你讲熵定律中的统计涨落，而我们马上就真的看到了一次！由于这种机会小到不可思议，这大概是从地球开始存在以来运动比较快的分子第一次偶然自发地全部聚集在一部分水面上，从而使水开始自动地沸腾！大概，就是再过几十亿年，我们也仍然是惟一有机会看到这种反常现象的人。”他注视着饮料，它现在正在慢慢冷下来。“我们真走运啊！”他心满意足地呼出一口气。</p>

  <p align="justify" height="1em" width="2em">就在慕德继续从空中朝下观察的时候，她逐渐被从酒杯升上来的蒸汽云包围住了。她立刻再也看不到别的东西。四周又热又闷，连呼吸都很困难。她喘着气挣扎起来。</p>

  <p align="justify" height="1em" width="2em">“你还好吗，亲爱的？”汤普金斯先生问道，一边温柔地摇撼着她的胳膊。“听起来你好像有点透不过气。”</p>

  <p align="justify" height="1em" width="2em">她醒了过来，定了定神，把帽子从脸上挪开，看着正在下落的夕阳。</p>

  <p align="justify" height="1em" width="2em">“对不起，”她嘟哝说，“我一定是睡着了。”</p>

  <p align="justify" height="1em" width="2em">她想起不久前有位朋友对她说过，结了婚的夫妻倾向于变得彼此越来越相近似。她想，她肯定不会像她丈夫那样喜欢再做一些同类的梦。“不过，”她自己暗暗地笑了，“我们肯定可以成为温驯的麦克斯韦的妖精，把家里收拾得井井有条。”</p>

  <p align="justify" height="1em" width="0pt"><img align="baseline" alt="" height="192" src="../Images/Image00052.jpg" width="397" /></p>

  <p><span id="filepos0000312023"></span></p>

  <p align="justify" height="0pt" width="0pt"></p>

  <table align="justify" valign="top">
    <tr align="justify" valign="top">
      <td align="justify" valign="top"><a href="../Text/text00001.html#filepos0000278918"><font color="blue"><u>[1]&nbsp;</u></font></a></td>

      <td align="justify" valign="top">轮盘赌是国外的一种赌法。一般轮盘有36至38个格子，每格一个数字，轮盘转动后，球停在哪个数字上，押那个数字的人赢钱（押1元赔35元）。当然，也可以只设红、黑两格（押1 元赔1 元），这里说的是后一种。——译者注&nbsp;</td>
    </tr>
  </table>

  <p><span id="filepos0000312588"></span></p>

  <p align="justify" height="0pt" width="0pt"></p>

  <table align="justify" valign="top">
    <tr align="justify" valign="top">
      <td align="justify" valign="top"><a href="../Text/text00001.html#filepos0000283919"><font color="blue"><u>[2]&nbsp;</u></font></a></td>

      <td align="justify" valign="top">蒙特卡洛属于摩洛哥公国，是欧洲闻名的赌城。——译者注&nbsp;</td>
    </tr>
  </table>

  <p><span id="filepos0000312938"></span></p>

  <p align="justify" height="0pt" width="0pt"></p>

  <table align="justify" valign="top">
    <tr align="justify" valign="top">
      <td align="justify" valign="top"><a href="../Text/text00001.html#filepos0000297386"><font color="blue"><u>[3]&nbsp;</u></font></a></td>

      <td align="justify" valign="top">麦克斯韦（Maxwell），1831~1879，英国物理学家，他对气体分子运动论、天体物理学、颜色理论、热力学和电磁学都有重大贡献。——译者注&nbsp;</td>
    </tr>
  </table>

  <p><span id="filepos0000313391"></span></p>

  <p align="justify" height="0pt" width="0pt"></p>

  <table align="justify" valign="top">
    <tr align="justify" valign="top">
      <td align="justify" valign="top"><a href="../Text/text00001.html#filepos0000299337"><font color="blue"><u>[4]&nbsp;</u></font></a></td>

      <td align="justify" valign="top">玻耳兹曼（Ludwin Boltzmann），1844~1906，奥地利物理学家，气体分子运动论的奠基者之一，在热力学和统计物理学上有很大成就。——译者注&nbsp;</td>
    </tr>
  </table>

  <p><span id="filepos0000313844"></span></p>

  <p align="justify" height="0pt" width="0pt"></p>

  <table align="justify" valign="top">
    <tr align="justify" valign="top">
      <td align="justify" valign="top"><a href="../Text/text00001.html#filepos0000300070"><font color="blue"><u>[5]&nbsp;</u></font></a></td>

      <td align="justify" valign="top">吉布斯（Gibbs），1839~1903，美国物理学家，化学热力学的奠基者之一。他在建立统计物理学方面有重大的贡献。——译者注&nbsp;</td>
    </tr>
  </table>

  <p><span id="filepos0000314277"></span></p>

  <p align="justify" height="0pt" width="0pt"></p>

  <table align="justify" valign="top">
    <tr align="justify" valign="top">
      <td align="justify" valign="top"><a href="../Text/text00001.html#filepos0000301199"><font color="blue"><u>[6]&nbsp;</u></font></a></td>

      <td align="justify" valign="top">欧美传说中的妖精鬼怪是头上长角的，这里指的就是这种特征。——译者注&nbsp;</td>
    </tr>
  </table>

  <p><span id="filepos0000314648"></span></p>

  <p align="justify" height="0pt" width="0pt"></p>

  <table align="justify" valign="top">
    <tr align="justify" valign="top">
      <td align="justify" valign="top"><a href="../Text/text00001.html#filepos0000301797"><font color="blue"><u>[7]&nbsp;</u></font></a></td>

      <td align="justify" valign="top">靡菲斯特是著名德国文学家歌德的长诗《浮士德》（后被改编为歌剧）中的恶魔。——译者注&nbsp;</td>
    </tr>
  </table>

  <p><span id="filepos0000315043"></span></p>

  <p align="justify" height="0pt" width="0pt"></p>

  <table align="justify" valign="top">
    <tr align="justify" valign="top">
      <td align="justify" valign="top"><a href="../Text/text00001.html#filepos0000306056"><font color="blue"><u>[8]&nbsp;</u></font></a></td>

      <td align="justify" valign="top">塔兰台拉舞是意大利南部一种轻快的民间舞，跳舞时，舞伴相互交换穿插。——译者注&nbsp;</td>
    </tr>
  </table>

  <p><span id="filepos0000315460"></span></p>

  <p align="justify" height="0pt" width="0pt"></p>

  <p align="center" height="1em" width="0pt"><font size="7"><b>11. 快乐的电子部族</b></font></p>

  <p align="justify" height="1em" width="2em">几天后的一个晚上，汤普金斯先生吃过晚饭，记起他答应去听教授当天晚上关于原子结构的演讲。但是，他对岳父那没完没了的演讲分明已经非常厌倦了，因此，他决定把这次演讲会忘掉，在家里过一个舒舒服服的夜晚。然而，他刚刚拿了一本书坐下，慕德就堵死了他逃学的道路，她看了看时钟，然后温柔而又坚定地提醒他说，已经差不多是该动身的时候了。因此，半个钟头以后，他又同一大群渴望增加知识的青年学生一起，坐在大学演讲厅里的硬木头板凳上了。</p>

  <p align="justify" height="1em" width="2em">“女士们，先生们，”教授从他的老花眼镜上面庄重地看着听众，开始演讲了，“我在上一次演讲里，答应同大家比较详细地谈谈原子的内部结构，说明这种结构的特点对原子的物理性质和化学性质起什么作用。你们当然知道，原子现在已不再被看做是物质的最基本的、不可再分的组成部分了，这样的角色目前是由电子这类小得多的粒子来扮演的。</p>

  <p><span id="filepos0000316785"></span></p>

  <p align="justify" height="1em" width="2em">“把物质的基本组成粒子看做是物体可分性的最后一级的想法，可以追溯到公元前4世纪的古希腊哲学家德谟克利特 <a href="../Text/text00001.html#filepos0000348341"><font color="blue"><u>[1]</u></font></a> 。德谟克利特在思考事物隐蔽的本性时，碰到了物质结构的问题，他不能不问道：物质到底是不是可以分成无限小的组成部分？由于在那个时代，人们除了靠纯思维的方式以外，通常不用其他方法去解决任何问题，加以这个问题在当时也无法用实验方法去解决，德谟克利特就只好在他自己的思想深处去寻找正确的答案。他根据某些费解的哲学上的考虑，最后作出结论说，物质可以无限制地分成越来越小的组成部分这件事，是‘不可思议的’，因此，必须假定存在着一种‘不可再分的最小粒子’。他把这种粒子命名为‘原子’，你们大概已经知道，这个词在希腊文中的原意就是‘不可再分的东西’。</p>

  <p align="justify" height="1em" width="2em">“我不想贬低德谟克利特在推动自然科学前进方面的巨大贡献，但是大家应该记住，当时除了德谟克利特及其追随者以外，无疑还有另一个古希腊哲学学派，这个学派的信徒坚持说，物质的分解过程可以毫无限制地一直进行下去。这样一来，不管将来精密科学会给出什么样的答案，古希腊的哲学都将在物理学史中牢牢地占有一个体面的地位。在德谟克利特那个时代和以后的许多世纪内，关于存在着这种不可再分的物质组成部分的概念，始终是一个纯粹的哲学假说，一直到了１９世纪，科学家们才断定说，他们终于找到了2000多年前那位古希腊哲学家所预言的那种不可再分的物质基础。</p>

  <p><span id="filepos0000318672"></span></p>

  <p align="justify" height="1em" width="2em">“事实上，英国化学家道尔顿 <a href="../Text/text00001.html#filepos0000348741"><font color="blue"><u>[2]</u></font></a> 在1808年就已指出，化合物各个成分的比例……”</p>

  <p align="justify" height="1em" width="2em">几乎从演讲一开始，汤普金斯先生就感到一种不可抗拒的、想闭上眼睛把整个演讲会睡过去的愿望，只不过是木板凳那种学院式的坚硬性使他没能这样做而已。现在，道尔顿关于倍比定律的想法使他抓到了最后一根救命稻草，于是，安静的大厅很快就弥漫着来自汤普金斯先生所坐那个角落的轻快的鼾声。</p>

  <p align="justify" height="1em" width="2em">当汤普金斯先生进入梦境的时候，那条硬板凳的不舒适性似乎化成了在空中漂浮的那种轻飘飘的愉快感。当他睁开眼睛的时候，他惊讶地发现自己正在以一种他认为是相当莽撞的速度在空间疾飞。他从周围看到，他并不是一个人在作这种荒唐的飞行。他旁边还有许多模糊不清的人形在围绕着人群正当中一个巨大的、看来很重的物体旋转。这些奇异的人形成对地穿过空间，很快乐地沿着圆形或椭圆形的轨道互相追逐。在行进中，每一对的一个成员朝着一个方向旋转，而他的同伴则朝着相反的方向旋转。在汤普金斯先生看来，他们似乎在跳着维也纳华尔兹舞。汤普金斯先生突然感到很孤独，因为他是这整群人当中惟一没有游伴的人。</p>

  <p align="justify" height="1em" width="0pt"><img align="baseline" alt="" height="361" src="../Images/Image00059.jpg" width="317" /></p>

  <p align="justify" height="1em" width="2em">他们似乎在跳着维也纳华尔兹舞</p>

  <p align="justify" height="1em" width="2em">“为什么我不带慕德一块来呢？”汤普金斯先生沮丧地想道，“那我们可以同这群愉快幸福的人共度一段美妙的时光了。”他的运动轨道是在所有其他人的外面，并且，尽管他非常想加入这一伙，但是好像有一种奇怪的力量不让他这样做。不过，当这些电子——现在汤普金斯先生认识到，他已经奇迹般地加入了一个原子的电子集团——当中的一个沿着它的扁长轨道从他身边经过时，他决定向它诉诉自己处境的苦处。</p>

  <p align="justify" height="1em" width="2em">“为什么我找不到一个人同我玩呢？”他从旁边大声嚷道。</p>

  <p align="justify" height="1em" width="2em">“因为这是一个孤独的原子，而你是一个价电——子——！”那个电子也大声喊道，因为他这时已经转身折回那跳舞的人群中去了。</p>

  <p align="justify" height="1em" width="2em">“价电子得单独生活，要不然就得跳到另一个原子中去寻找伴侣。”另一个从他身边掠过的电子用很高的女高音尖叫道。</p>

  <blockquote align="justify" height="1em" width="2em">
    如果你想得到漂亮的伴侣，
  </blockquote>

  <blockquote align="justify" height="1em" width="2em">
    你就得跳到氯原子中去寻觅。
  </blockquote>

  <p align="justify" height="1em" width="2em">另一个电子嘲弄地唱了两句小调。</p>

  <p align="justify" height="1em" width="2em">“我看，你在这里是个新来的人，我的孩子，你非常孤独啊！”一个慈祥的声音在他头上说。汤普金斯先生抬起眼睛，看到一个穿着褐色束腰外衣的。矮胖的神父身形。</p>

  <p><span id="filepos0000322158"></span></p>

  <p align="justify" height="1em" width="2em">“我是泡利 <a href="../Text/text00001.html#filepos0000349162"><font color="blue"><u>[3]</u></font></a> 神父，”神父继续说，他也沿着轨道同汤普金斯先生一起运动，“我生来的使命是密切注意原子中和其他地方的电子的道德和社会生活。我的责任就是让这些贪玩的电子，能够正常地分布在我们伟大的设计师玻尔所建立的美丽原子结构的各个量子房间当中。为了维持秩序，我从来不允许处在同一条轨道上的电子多于两个。你知道，一个ménage à trois <a href="../Text/text00001.html#filepos0000349699"><font color="blue"><u>[4]</u></font></a> （法语，由3个人组成的家庭）总是有一大堆麻烦事。因此，电子组合的方式永远是两个‘自旋’相反的电子结成一对，如果一个房间已经有一对电子居住着，就绝不容许别人闯进去，这是个很好的法则，而且我还可以补充一句，从来没有一个电子破坏过我的戒律。”</p>

  <p align="justify" height="1em" width="2em">“这也许确实是个很好的法则，”汤普金斯反对说，“可它目前使我感到太不方便了。”</p>

  <p align="justify" height="1em" width="2em">“我明白这一点，”神父笑了，“不过，这只是你自己不走运，偏偏当上了一个孤独的原子的价电子。你现在所附属的钠原子靠它的原子核（也就是你在正当中看到的那一团黑东西）的电荷，有权在身边保持11个电子。不过，这对你来说是件很不幸的事，因为11正好是个奇数。但是当你考虑到，在所有数目当中正好有一半是奇数，只有另一半是偶数，你就得承认，这并不是个太不寻常的处境了。因此，既然你是后到的，你就得一个人孤独地过活，至少暂时是这样。”</p>

  <p align="justify" height="1em" width="2em">“你是说，我以后还能得到旁的机会？”汤普金斯先生急切地问道，“譬如说，可以把一个老住户赶走？”</p>

  <p align="justify" height="1em" width="2em">“这恰恰是你所不该做的事，”神父伸出一个指头对他摇晃着说，“不过，当然罗，永远存在着某些内圈的成员由于外来的干扰被甩出去，从而空出一个位置来的机会。但是，要是我处在你的地位，我是不太指望发生这种情况的。”</p>

  <p align="justify" height="1em" width="2em">“他们说，如果我挪到氯原子中去，情况就会好一些，”汤普金斯先生说，他被泡利神父的话弄得有点泄气了，“你能告诉我该怎样做吗？”</p>

  <p align="justify" height="1em" width="2em">“年轻人啊，年轻人！”神父惋惜地感慨说，“你为什么这样坚持要找个伴侣？你为什么无法欣赏独居生活和上天所赐给你的这种使你灵魂安宁的良机？为什么连电子也还总是要羡慕尘世的生活呢？不过，如果你一定想找个伴侣，我可以帮助你实现你的愿望。要是你朝我所指的方向看去，你就会看到一个氯原子正在向我们靠过来，尽管它离我们还很远，你也可以看到它有一个没有人占据的空位，你在那里肯定会大受欢迎的。那个空位在外面那组电子，即所谓‘Ｍ壳层’中，这个壳层应该由８个电子组成，它们结合成4对。但是，正像你所看到的，现在有4个电子朝一个方向自旋，而朝另一个方向自旋的电子却只有3个，还有一个位置是空的。里面的两个壳层，即所谓‘Ｋ壳层’和‘Ｌ壳层’，都已经完全被电子占满了。所以，那个原子一定很乐意你上它那儿去，把它的外壳层也填满。当两个原子靠得很近的时候，你就赶快跳过去，价电子们通常就是这样做的。这样，你大概就会得到安宁了，我的孩子！”说完这些话，这个电子教士难忘的身形突然消失在稀薄的空气中。</p>

  <p align="justify" height="1em" width="0pt"><img align="baseline" alt="" height="317" src="../Images/Image00073.jpg" width="477" /></p>

  <p align="justify" height="1em" width="2em">氯原子中有一个没有人占据的空位</p>

  <p align="justify" height="1em" width="2em">到原子的轨道上去。出他意料之外，他只轻轻一跃，便非常轻快地跳了过去，于是，他发现自己正处在氯原子Ｍ壳层的成员的友爱包围之中。</p>

  <p align="justify" height="1em" width="2em">“你来加入我们这个集体，我大高兴了！”那个自旋方向同他相反的新伴侣喊道，同时优美地沿着轨道滑翔着，“你就做我的伴侣吧，让我们好好快乐。”</p>

  <p align="justify" height="1em" width="2em">汤普金斯先生也同意，这确实是很快乐，而且是非常非常快乐的，可是，这时有一种淡淡的烦恼侵入他的脑中，“当我再看到慕德的时候，我怎么向她解释这一切呢？”他相当内疚地想，不过时间并不长，“她肯定不会在意的，”他断定说，“说到头来，它们只不过是些电子啊！”</p>

  <p align="justify" height="1em" width="2em">“你离开的那个原子，为什么现在还不走？”他的伴侣有点不高兴地问，“莫非它还希望你再回去？”</p>

  <p align="justify" height="1em" width="2em">事实上，那个失去价电子的钠原子，真的同这个氯原子粘得很紧，似乎希望汤普金斯先生回心转意，再跳回它那冷冷清清的轨道上去。</p>

  <p align="justify" height="1em" width="2em">“你想得倒好！”汤普金斯先生对那个先前那么冷淡地接待他的原子皱着眉头，生气他说，“你是个又要马儿跑，又要马儿不吃草的家伙！”</p>

  <p align="justify" height="1em" width="2em">“啊，它们总是这样的，”Ｍ壳层一个比较有经验的成员说，“我明白，钠原子的电子集团并不像钠原子核本身那么希望你回去。在中央的原子核与它的电子卫队之间，意见总是不一致的：原子核希望它的电荷能拉住几个电子就有几个电子，而电子本身呢，却宁愿它们的数目足够把壳层填满就行了。只有几种原子，也就是所谓稀有气体或德国化学家所说的惰性气体，它们那个起主导作用的原子核和从属于它的电子之间，愿望才完全一致。例如氦、氖和氖这类原子都完全自给自足，它们既不撵走它们的成员，也不接纳新的成员。它们在化学上是不活泼的，总是同其他一切原子保持一定距离。但是，所有其他原子中的电子集团总是准备改变成员的数目。在钠原子中，也就是在你先前那个家里，原子核靠它的电荷所能保持的电子，比使壳层达到和谐所需要的电子多一个。而在我们这个原子中，正常电子队伍的人数却不够使壳层完全达到和谐，因此，我们欢迎你来，尽管你的存在会使我们的原子核负担过重。只要你留在这里，我们这个原子就不再是中性的，它有一个多余的电荷。这样一来，你离开的那个钠原子就会由于静电引力的作用而停靠在我们旁边。有一次，我听到我们那位了不起的教士泡利神父说，这种接纳了外来电子或失去了电子的原子集体，被人们称为‘负离子’或‘正离子’。他还常常用‘分子’这个词来称呼两个或更多个靠电子结合在一起的原子所组成的集团。不管怎么说，他好像把钠原子和氯原子的这种特定的组合叫做‘食盐’分子。”</p>

  <p align="justify" height="1em" width="2em">“你是想对我说，你不知道食盐是什么东西吗？”汤普金斯先生说，他已经忘记他是在同谁谈话了，“那就是你吃早餐的时候撒在炒鸡蛋上面的东西呀。”</p>

  <p align="justify" height="1em" width="2em">“那么，‘早餐’和‘炒鸡蛋’又是什么呢？”那个被引起兴趣来的电子问道。</p>

  <p align="justify" height="1em" width="2em">汤普金斯先生最初有点气急败坏，后来才认识到，试图为他的伙伴们解释人类生活中哪怕是最简单的小事，也是毫无效果的。“我从它们关于价电子和满壳层的谈话中得不到更多的东西，原因也就在这里了。”他对自己说，决定好好领略一下参观这个奇异世界的乐趣，不再因为不能理解它而烦恼。但是，要甩开那个健谈的电子可不是件容易的事，他显然非常渴望把他在长期电子生活中所积累起来的知识统统倒出来。”</p>

  <p align="justify" height="1em" width="2em">“你可别以为，”他继续说，“原子结合成分子永远是只同一个价电子发生关系。有些原子，比方说氧吧，需要再增加两个电子才能把它的壳层填满，还有些原子甚至需要再增加3个或更多个电子。另一方面，在某些原子中，原子核却掌握了两个或更多个多余的电子——或者说价电子。当这样两种原子碰到一块的时候，就会有大量电子从一种原子跳到另一种原子中去，把这两种原子结合起来，结果，就形成了非常复杂的分子，这类分子常常含有几千个原子。还有一种所谓‘无极性分子’，这是由两个完全相同的原子所组成的分子，不过，这是一种很不愉快的局面。”</p>

  <p align="justify" height="1em" width="2em">“不愉快？为什么呢？”汤普金斯先生问，他又一次感到有兴趣了。</p>

  <p align="justify" height="1em" width="2em">“为了使这样两个原子维持在一起，”那个电子解释说，“要做的事情太多了。不久以前，我有一次碰巧承担了这种任务，在我留在那里的全部时间内，我连片刻的空闲都没有。为什么呢？那里根本不像我们这里，只要价电子高高兴兴地搬个家，造成原先那个原子在电荷方面的短缺，那个被抛弃的原子就自己停在旁边了。不，先生，在那里可不行！为了使两个完全相同的原子结合在一起，价电子必须不停地跳来跳去，刚从一个原子跳到另一个原子上，就得马上又跳回来。我担保，你会觉得自己就像个乒乓球那样！”</p>

  <p align="justify" height="1em" width="2em">这句话使汤普金斯先生感到相当惊讶：这个电子不知道炒鸡蛋是什么东西，可是谈到乒乓球却这样顺口。不过，汤普金斯先生把这个问题放过去了。</p>

  <p align="justify" height="1em" width="2em">“我永远不想再承担这种任务了！”这个懒惰的电子嘟嘟哝哝地说，它由于这个不愉快的回忆而激动得很厉害，“在现在这个地方，我感到十分舒适。”</p>

  <p align="justify" height="1em" width="2em">“等一等！”他突然喊了起来，“我想，我已经看到一个还要更好的地方了。我该上那里去！再——见！”说着，他使劲一跳，朝着原子的内部猛冲过去。</p>

  <p align="justify" height="1em" width="2em">朝着这个交谈者前进的方向望去，汤普金斯先生现在明白发生什么事了。大概有一个外来的高速电子出乎意料地闯入内部的电子体系，把一个内圈电子从原子的空隙撞了出去，于是，“Ｋ壳层”现在空出了一个暖和舒适的位置。汤普金斯先生一面责备自己错过了这个进入内圈的机会，一面非常感兴趣地注视刚刚还在同他谈话的那个电子的行动。那个走运的电子越来越深地奔入原子的内部，并且有一道明亮的光伴随着他这次成功的飞行。一直到他终于抵达那内部轨道的时候，这道刺得眼睛几乎睁不开的射线才熄灭了。</p>

  <p align="justify" height="1em" width="2em">“那是什么东西？”汤普金斯先生问，他的眼睛由于观看这个出人意料的现象而隐隐作痛，“为什么这一切会变得那么明亮？”</p>

  <p align="justify" height="1em" width="2em">“哦，这不过是因为这种转移而发射出的调射线罢了，”他那个同轨道的伴侣解释说，一面笑着他的窘态，“我们当中只要有一个能够成功地深入原子的内部，多余的能量就会以射线的形式发射出来。这个走运的小伙子跳得非常远，所以他就释放出巨大的能量。不过，我们常常只能满足于比较近的跳跃，也就是跳到原子的近郊区，那时我们所发出的射线叫做‘可见光’——至少泡利神父是这样称呼它的。”</p>

  <p align="justify" height="1em" width="2em">“但是，这种调光——不管你怎么叫它吧——也是可以看见的呀，”汤普金斯先生争辩说，“我应该说，你们的用词很容易使人留下错误的印象。”</p>

  <p><span id="filepos0000334936"></span></p>

  <p align="justify" height="1em" width="2em">“不过，这是因为我们是电子，所以对任何一种射线都很敏感的缘故。泡利神父对我们说过，世界上有一种巨大的生物，他管他们叫做‘人类’，他说，这种人类所能看到的光，能量间隔——他管这种间隔叫做波长范围——是很窄的。有一次，他还告诉我们说，有一个了不起的人——我记得他的姓名叫伦琴 <a href="../Text/text00001.html#filepos0000350054"><font color="blue"><u>[5]</u></font></a> ——好不容易才发现了调射线，现在，他们主要把它用在一种叫做‘医学’的事情上。”</p>

  <p align="justify" height="1em" width="2em">“是的，是的。这件事我倒知道得不少。”汤普金斯先生说，他由于现在能够露一手而感到很自豪，“你愿意我给你讲讲吗？”</p>

  <p align="justify" height="1em" width="2em">“谢谢你，不用啦。”那个电子打着呵欠说，“我对它实在不感兴趣。难道你不说话就不舒服吗？来，你来追我，看看能不能把我逮住！”</p>

  <p align="justify" height="1em" width="2em">接着有很长一段时间，汤普金斯先生一直享受着同其他电子一起用一种值得赞赏的荡秋千的动作在空间疾驰所产生的快感。后来，他突然觉得自己的头发一根根直竖起来，从前他有一次在山上碰到雷雨时，也有过类似的体验。显然，有一个强烈的电干扰正在逼近他们的原子，它破坏了电子运动的和谐，迫使电子们离开它们的正常轨道。在人类的物理学家看来，这只不过是一个紫外光波正在从这个特定的原子所处的地点经过，但对于微小的电子来说，这简直是一场可怕的电风暴了。</p>

  <p align="justify" height="1em" width="2em">“靠过来一点！”他的一个伙伴大声喊道，“要不然，你会叫光效应的作用力甩出去的！”但是，这已经太晚了，汤普金斯先生已经被攫离他的同伴，以可怕的速度往空间中直扔出去，就像有两个强有力的手指把他捏住那样干脆利落。他气也喘不过来地在空间越冲越远，匆匆地掠过各种各样不同的原子。他经过这些原子时的速度是那么快，以致很难把电子一个个分辨开来。突然，一个巨大的原子出现在他的正前方，他明白，一场碰撞是避免不了的了。</p>

  <p align="justify" height="1em" width="2em">“对不起，但是，我碰上了光效应，我无法……”汤普金斯先生开始很有礼貌他说，但这句话的后半截完全淹没在一个刺耳的爆裂声中了，因为他这时面对面地撞上了一个外层电子。他们两者都脑袋朝下地摔入空间中。不过，汤普金斯先生已经在碰撞中失去他的大部分速度，现在能够比较仔细地研究他的新环境了。那些屹立在他周围的原子比他过去看到过的任何一个原子都要大得多，他可以数出它们各有29个电子。要是他有比较丰富的物理学知识，他就会认出它们是铜原子，但是，在这样近的距离上，这群原子作为一个整体来看一点也不像是铜。此外，它们的位置彼此靠得相当近，形成一种有规则的图案，展延到他目力所看不到的地方。不过，最使汤普金斯先生感到惊讶的，是这些原子似乎并不太注意保持电子的数额，尤其是它们的外层电子。事实上，它们的外层轨道大部分是空的，但却有一群群自由自在的电子在空间中懒洋洋地挪动着，时不时在这个原子或那个原子的外围停一停，但停留的时间总是不太长久。汤普金斯先生经过在空间中那番要命的飞行，已经疲惫不堪，所以，他首先想在铜原子中找一个稳固的轨道稍事休息。然而，他很快就受到那群电子普遍的懒散情绪的影响，并参加到其余电子中去做这种漫无目标的运动。</p>

  <p align="justify" height="1em" width="2em">“这里的事情组织得可不好啦，”他自言自语地评论说，“不爱工作的电子实在大多了，我想，泡利神父应该想办法解决一下。”</p>

  <p align="justify" height="1em" width="2em">“为什么我该想办法？”神父那熟悉的声音说道——他突然从什么地方出现了，“这些电子并没有违背我的戒律，不仅如此，它们现在确实正在完成一种非常有用的任务哩。你可能还不知道，如果所有原子都像某些原子那样，十分热衷于保持它们的电子，那就不会有导电性这类东西了。那样一来，连你家里的电铃也响不了，更不用提电灯和计算机了。”</p>

  <p align="justify" height="1em" width="2em">“啊，你是说，这些电子负载着电流？”汤普金斯先生问道。他抓住一线希望，希望谈话能转到他多少比较熟悉的后题上去，“但是，我看不到它们在向任何特定的方向运动啊。”</p>

  <p align="justify" height="1em" width="2em">“首先，我的孩子，”神父严肃他说，“你不该用‘它们’这个词，而应该说‘我们’。你似乎忘记了你自己是一个电子，也忘记了当有人按那个同这根铜线接在一起的按钮时，电的压力就使你和所有其他导电电子一块赶去呼喊女仆或做别的需要做的事了。”</p>

  <p align="justify" height="1em" width="2em">“可我并不想这样做啊，”汤普金斯先生固执他说，声音里带着急躁的口气，“事实上，我已经不耐烦再当电子了，我不认为这有多少乐趣。什么样的生活呀，永远永远要负担这么些电子的责任！”</p>

  <p align="justify" height="1em" width="2em">“倒不一定是永远，”泡利神父反对说，他肯定并不喜欢为那些平凡的电子辩护，“你总是会有机会发生湮没，从而失去你的存在的。”</p>

  <p align="justify" height="1em" width="2em">“发——生——湮没！”汤普金斯先生重复了一遍，感到有一股寒流在他脊梁上来回跑动，“但是，我总认为电子是永存不灭的。”</p>

  <p align="justify" height="1em" width="2em">“这是物理学家们直到不久以前还一直相信的事，”泡利神父同意他说，他对他的话所产生的效果感到很有趣，“可是，这并不完全正确。电子也像人一样，可以有生有死。当然，这里没有生病衰老那样的事；电子的死亡只有通过碰撞才能达到。”</p>

  <p align="justify" height="1em" width="2em">“可是，我在不久以前才碰撞过呢，那可是糟透了的一次，汤普金斯先生恢复了信心悦，“要是那次碰撞都没有把我报销掉，那么，我就想象不出有什么碰撞能够这样了。”</p>

  <p align="justify" height="1em" width="2em">“问题不在于你碰撞的力量有多大，”泡利神父纠正他说，“而在于碰撞的对方是谁。在你最近那次碰撞中，你大概是撞上了另一个同你一模一样的负电子，在这样的冲突中，是一点危险也没有的，事实上，你们可以像一对公羊那样互相顶触而不造成任何伤害。但是，还有另一种电子——正电子，它一直到不久以前才为物理学家所发现。这些正电子的行径完全同你一样，惟一的差别在于它们的电荷是正的，而不是负的，当你看到一个这样的伙伴向你靠过来的时候，你会认为它只不过是你这个部族中的一个无害的成员，并且迎过去问候它。但是，这时你会突然发现，他不像任何正常的电子那样，轻轻把你推开以避免碰撞，而是一个劲地把你拉过去。于是，你不管想做什么都来不及了。”</p>

  <p align="justify" height="1em" width="2em">“为什么？”汤普金斯先生问道，“那时会发生什么事呢？”</p>

  <p align="justify" height="1em" width="2em">“它会把你吃掉，把你消灭掉。”</p>

  <p align="justify" height="1em" width="2em">“多么可怕啊！”汤普金斯先生喊道，“一个正电子能吃掉多少个可怜的普通电子呢？”</p>

  <p align="justify" height="1em" width="2em">“幸而只能吃掉一个，因为在毁灭掉一个电子的时候，那个正电子自己也毁灭了。你可以把正电子描绘成自杀俱乐部的成员在寻找互相湮没的对手。它们自己并不互相伤害，但是，一旦有一个负电子碰上了它们，这个负电子就没有多少幸存的机会了。”</p>

  <p align="justify" height="1em" width="2em">“我侥幸还没有碰上过这样的怪物，”汤普金斯先生说，这些描述给他留下了很深的印象，“我希望它们的数量并不大多。它们数量多吗？”</p>

  <p align="justify" height="1em" width="2em">“不，并不多。原因很简单，它们总是在自找麻烦，所以，它们生下来以后很快就消失了。要是你稍微等一等，我也许能够指出一个正电子给你看看。”</p>

  <p align="justify" height="1em" width="2em">“好了，这里就有一个，”泡利神父在短暂的沉默以后继续说，“如果你细心地观看那边的重原子核，你就会看到一个这样的正电子正在诞生。”</p>

  <p align="justify" height="1em" width="2em">神父的手所指的那个原子，显然由于某种强大的辐射从外界射到它上面，而受到强烈的电磁干扰。这是比那种把汤普金斯先生扔出氯原子的射线厉害得多的干扰，因此，围绕着那个原子核的电子家族正在瓦解，像台风中的树叶那样被吹向四面八方。</p>

  <p align="justify" height="1em" width="2em">“你好好注意那个原子核。”泡利神父说。于是，汤普金斯先生聚精会神地瞧着，他看到一种最不寻常的现象正在那个被破坏了的原子的深处发生。在内部电子壳层的里边非常靠近原子核的地方，两个模模糊糊的阴影正在逐渐成形，一秒钟以后，汤普金斯先生看到两个崭新的。闪闪发光的电子以巨大的速度从它们的出生处彼此飞开。</p>

  <p align="justify" height="1em" width="2em">“但是，我看到的是两个呀。”汤普金斯先生说。他被这种景象迷住了。</p>

  <p align="justify" height="1em" width="2em">“这是对的，”泡利神父同意说，“电子总是成对地诞生的，要不然，就会同电荷守恒定律相矛盾了。原子核在强了射线作用下所产生的两个粒子，有一个是普通的负电子，另一个是正电子，也就是那种凶手。它现在就要去寻找牺牲者了。”</p>

  <p align="justify" height="1em" width="2em">“得，既然每生下一个注定要毁灭掉一个电子的正电子，就同时也生下另一个普通电子，那么，情形就不是那么糟了，”汤普金斯先生颇有创见地评论说，“至少，这不会导致电子部族的灭绝了，我……”</p>

  <p align="justify" height="1em" width="2em">“当心！”神父打断了他的话，从旁边猛推他一下，这时那个新生的正电子正从旁边呼啸而过，并且马上撞上另一个电子。于是，那里发出了两束耀眼的闪光，然后就什么也没有了。</p>

  <p align="justify" height="1em" width="2em">“我想，你现在已经看到结果了。”神父微笑着说。</p>

  <p align="justify" height="1em" width="2em">但是，汤普金斯先生由于没有被那个正电子凶手消灭掉而得到的宽慰并没有持续多久。他还没有来得及感谢泡利刚才迅速作出判断拯救了他，就突然觉得自己被拉住了。他和所有其他正在逛荡的电子全都被迫参加一种行动——朝着同一个方向平行前进。</p>

  <p align="justify" height="1em" width="2em">“晦，现在又是怎么回事？”他喊了起来。</p>

  <p align="justify" height="1em" width="2em">“肯定是有人按了电灯的开关啦。现在你们正在通往电灯灯丝的道路上。”神父回答道，现在他正在迅速地离开汤普金斯先生远去，“很高兴同你闲聊，再见！”</p>

  <p align="justify" height="1em" width="2em">最初，这次旅行似乎十分轻松愉快，好像是乘车在机场的跑道上慢慢行驶一样。汤普金斯先生和别的无拘无束的电子都慢吞吞地穿过那里的原子点阵。他很想同身旁的电子聊聊天。</p>

  <p align="justify" height="1em" width="2em">“这次旅行很轻松，不是吗？”他说。</p>

  <p align="justify" height="1em" width="2em">那个电子带着威胁的神情瞧了他一眼，“你显然是新参加这股电流的。等着吧，我们马上就快要难受了。”</p>

  <p align="justify" height="1em" width="2em">汤普金斯先生不明白这是什么意思，但却不喜欢再打听下去。突然，他们正在通过的那条过道变得窄起来，现在电子们全都挤压在一起。周围变得越来越热，越来越亮。</p>

  <p align="justify" height="1em" width="2em">“你可要撑住啊！”他的同伴嘟哦着说，她正从旁边往他身上挤过来。</p>

  <p align="justify" height="1em" width="2em">汤普金斯先生醒了，他发现在演讲厅里坐在他隔壁的那位女士也睡着了，并且从旁边朝着他靠过来，把他一直挤到墙上。</p>

  <p align="justify" height="1em" width="0pt"><img align="baseline" alt="" height="268" src="../Images/Image00082.jpg" width="388" /></p>

  <p><span id="filepos0000348341"></span></p>

  <p align="justify" height="0pt" width="0pt"></p>

  <table align="justify" valign="top">
    <tr align="justify" valign="top">
      <td align="justify" valign="top"><a href="../Text/text00001.html#filepos0000316785"><font color="blue"><u>[1]&nbsp;</u></font></a></td>

      <td align="justify" valign="top">德谟克利特（Democritus），约公元前460~公元前370年，古希腊哲学家，原子论的创始人。——译者注&nbsp;</td>
    </tr>
  </table>

  <p><span id="filepos0000348741"></span></p>

  <p align="justify" height="0pt" width="0pt"></p>

  <table align="justify" valign="top">
    <tr align="justify" valign="top">
      <td align="justify" valign="top"><a href="../Text/text00001.html#filepos0000318672"><font color="blue"><u>[2]&nbsp;</u></font></a></td>

      <td align="justify" valign="top">道尔顿（John Dalton），1766~1844，他对气象学、物理学和化学都有不少贡献。这里指的是他的倍比定律。——译者注&nbsp;</td>
    </tr>
  </table>

  <p><span id="filepos0000349162"></span></p>

  <p align="justify" height="0pt" width="0pt"></p>

  <table align="justify" valign="top">
    <tr align="justify" valign="top">
      <td align="justify" valign="top"><a href="../Text/text00001.html#filepos0000322158"><font color="blue"><u>[3]&nbsp;</u></font></a></td>

      <td align="justify" valign="top">泡利（Pauli），1900~1958，奥地利物理学家，他对量子力学、量子场论和基本粒子理论都有不少贡献。下面提到的是他的泡利不相容原理，他由于发现这个原理而获得1945 年的诺贝尔物理学奖。——译者注&nbsp;</td>
    </tr>
  </table>

  <p><span id="filepos0000349699"></span></p>

  <p align="justify" height="0pt" width="0pt"></p>

  <table align="justify" valign="top">
    <tr align="justify" valign="top">
      <td align="justify" valign="top"><a href="../Text/text00001.html#filepos0000322158"><font color="blue"><u>[4]&nbsp;</u></font></a></td>

      <td align="justify" valign="top">这里用的是法文，意思是“由3 个人组成的家庭”。——译者注&nbsp;</td>
    </tr>
  </table>

  <p><span id="filepos0000350054"></span></p>

  <p align="justify" height="0pt" width="0pt"></p>

  <table align="justify" valign="top">
    <tr align="justify" valign="top">
      <td align="justify" valign="top"><a href="../Text/text00001.html#filepos0000334936"><font color="blue"><u>[5]&nbsp;</u></font></a></td>

      <td align="justify" valign="top">伦琴（Roĕntgen），1845~1923，德国物理学家，X 射线的发现者，他因此而获得1901 年第一届诺贝尔物理学奖。——译者注&nbsp;</td>
    </tr>
  </table>

  <p><span id="filepos0000350511"></span></p>

  <p align="justify" height="0pt" width="0pt"></p>

  <p align="center" height="1em" width="0pt"><font size="7"><b>11.5. 上一次演讲中汤普金斯先生因为睡着而没有听到的那部分</b></font></p>

  <p><span id="filepos0000350716"></span></p>

  <p align="justify" height="1em" width="2em">事实上，英国化学家道尔顿还在1808年就己指出，形成各种比较复杂的化合物所需要的各种化学元素的数量比，总是可以用几个整数之比来表示的 <a href="../Text/text00001.html#filepos0000364157"><font color="blue"><u>[1]</u></font></a> 。他在解释这个经验定律时，把它的原因归结为：所有各种化合物都是由一个个代表不同简单化学元素的粒子构成的，只是粒子的数量各不相同而已。中世纪的炼金术士不能够把一种化学元素转变成另一种化学元素，这个事实证明了，这些粒子显然是不可分割的，所以，人们就给它们起了一个古老的希腊名称“原子”——即“不可再分的东西”。这个名称一经定出，就一直沿用下来了。尽管我们现在已经知道，这种“道尔顿的原子”根本不是不可再分，它们事实上是由大量比它们更小的粒子构成的，但是，我们却对这个名称在哲学上的不一致性，采取睁一只眼、闭一只眼的态度。</p>

  <p align="justify" height="1em" width="2em">可见，被现代物理学家称为“原子”的那种实体，根本不是德谟克利特原来所想象的那种基本的。不可再分的物质结构单元，要是把“原子”这个词用到那些构成“道尔顿的原子”的、小得多的粒子，诸如电子和夸克上去，那实际上要更确切一些。但是，把名称变来变去会产生大多的混乱，因此，在物理学界便没有了个人去为这种哲学上的不一致性操心了！这样，我们也要用“原子”这个古老的名称来称呼道尔顿所说的那些粒子，而把电子、夸克等等统称为“基本粒子”。</p>

  <p align="justify" height="1em" width="2em">基本粒子这个名称当然意味着，我们目前认为这些更小的粒子确实就是德谟克利特所说的那种基本的。不可再分的粒子，因此，你们可能要问我，历史是不是真的不会重演？在科学进一步发展以后，这些基本粒子真的不会被证明是一些十分复杂的东西吗？我的回答是，尽管谁也不能绝对保证这种事情不会发生，但是，有充分理由认为，这一次我们是做得十分正确的。</p>

  <p><span id="filepos0000353004"></span></p>

  <p align="justify" height="1em" width="2em">事实上，不同的原子一共有92种 <a href="../Text/text00001.html#filepos0000364480"><font color="blue"><u>[2]</u></font></a> （同92种不同的化学元素相对应）（注：这指的是天然存在的元素，不包括超铀元素在内。如包括后者，至1998年已发现的共有109种）， 并且每一种原子都具有相当复杂的、各不相同的特性。这种局面本身，就要求人们沿着把这样一种复杂的图景归纳成更基本的景象的方向，对它进行某些简化。</p>

  <p><span id="filepos0000353545"></span></p>

  <p align="justify" height="1em" width="2em">现在我们可以转而谈谈道尔顿的原子是怎样由基本粒子构成的问题了。这个问题的第一个正确的答案是著名的英国物理学家卢瑟福 <a href="../Text/text00001.html#filepos0000364892"><font color="blue"><u>[3]</u></font></a> 在1911年提出的，他当时正在用放射性元素在嬗变过程中发射出的快速微型子弹——即所谓α粒子——去轰击各种原子，借以研究原子的结构。卢瑟福在观察这些子弹通过一块物质后所发生的偏转（即散射）时发现，虽然大多数子弹都能以非常小的角度偏转，但少数子弹却以极大的角度反弹回去。这大概是因为它们在原子里撞上了某种非常小但却非常密实的靶心。因此他得出一个结论说，所有原子都必定具有一个非常密实的、带正电的核心（原子核），它周围是一片相当稀薄的负电荷云（原子大气）。</p>

  <p align="justify" height="1em" width="2em">我们今天知道，原子核是由一定数量的质子和中子（它们统称为核子）构成的，它们靠一种很强的内聚力紧密地维系在一起；我们还知道，原子大气是由不同数量的负电子构成的，这些负电子在原子核正电荷静电引力的作用下，围绕着原子核转动。形成原子大气的电子的数量决定着原子的一切物理性质和化学性质，这个数目按化学元素的天然排列次序从１（属于氢）一直增大到92（属于已知的最重的元素——铀）。</p>

  <p align="justify" height="1em" width="2em">尽管卢瑟福的原子模型具有明显的简单性，但是，要想详尽地理解它，却决不是一件简单的事。事实上，按照古典物理学的一个最可靠的信念，带负电的电子在围绕原子核旋转时，必定会通过辐射（即发射出光）过程而失去它的动能，并且人们已经计算出，由于电子不断失去它的能量，组成原子大气的所有电子远远不到一秒钟，就会落到原子核上而发生坍缩。不过，古典物理学这个似乎十分正确的结论却同经验事实非常尖锐地对立着，因为原子大气恰好同这个结论相反，是非常稳定的；原子中的电子不但不落到原子核上，而且无限长期地持续围绕着中心体转动。这样，我们就看到了，在古典力学的基本概念以及同原子世界细小的结构单元的力学行为相符的经验数据之间，存在着根深蒂固的矛盾。这个事实使著名的丹麦物理学家玻尔认识到，从现在起，我们必须把几世纪以来在自然科学体系中占有自命可靠的特权地位的古典力学，看做是一个应用范围颇为有限的理论，它适用于我们日常接触的宏观世界，但是，一旦把它用于在各种原子中发生的那种精致得多的运动上，它就完全无能为力了。玻尔认为，为了试验性地建立一门新的。更广泛的力学，使它也能适用于原子机器中那些细微部件的运动，不妨假设在古典理论所考虑的所有无限多种运动类型当中，只有少数几种特定的类型才可能在自然界中实现。这些许可的运动类型（轨道），应该根据一定的数学条件，即根据玻尔理论中的所谓量子条件来选择。在这里，我不想详细地讨论这些量子条件，而只想指出，这些条件的选法，使得它们所施加的一切限制，在运动粒子的质量比我们在原子结构中所碰到的质量大得多的所有场合下，实际上是没有意义的，这样一来，这种新的微观力学在应用到宏观物体上时所得到的结果，便完全和旧的古典理论相同了（这就是对应原理）。只有在细微的原子机器中，这两种理论的分歧才具有重大的意义。由于我们不想更深入地讨论细节，这里我只想借用玻尔所画的原子中的量子轨道图，让大家知道从玻尔理论的观点看来，原子的结构是什么样子（请看图）。在这张图上，大家可以看到一系列圆形和椭圆形的轨道（它们的尺寸当然是大大放大了的），这些轨道代表构成原子大气的电子经过玻尔的量子条件“许可的”运动类型。古典力学允许电子在任何距离上围绕原子核运动，对于电子轨道的偏心率（即扁长度）也不施加任何限制，而玻尔理论的特定轨道则是一组分立的轨道，它们在各个方向上的特定大小全部是严格规定的。图上在每一个轨道旁边注出的数字和外文字母，代表那个轨道在一般分类法中的名称；你们可以注意到，比较大的数字对应于直径比较大的轨道。</p>

  <p align="justify" height="1em" width="0pt"><img align="baseline" alt="" height="673" src="../Images/Image00095.jpg" width="406" /></p>

  <p align="justify" height="1em" width="2em">只有少数几种特定的类型才可能实现</p>

  <p align="justify" height="1em" width="2em">尽管玻尔的原子结构理论在解释原子和分子的各种性质方面已经被证明是极有成效的，但是，关于量子轨道彼此分立这个基本概念却一直相当不清楚，我们越想深入分析古典理论所受到的这种不寻常的限制，整个图像就变得越不清楚。</p>

  <p align="justify" height="1em" width="2em">最后，人们终于弄清，玻尔的理论之所以不十分成功，是由于它没有用某种根本的方法来改造古典力学，而仅仅是用一些附加条件去限制古典力学所得出的结果，而这些条件对于古典理论的整个结构又基本上是不相容的。这个问题的正确答案一直到13年以后，才以所谓“波动力学”的形式出现，这个理论根据新的量子原理，修改了古典力学的整个基础。因此，尽管乍一看来，波动力学的体系似乎比玻尔的旧理论还要古怪，但这种新的微观力学却成为今天理论物理学中的一个最合乎逻辑、最容易为人们所接受的组成部分。由于这种新力学的基本原理，特别是“测不准性”和“弥散轨道”等概念，我已经在前几次演讲中谈过了，这里我只想提醒大家再注意一下，然后就要回头讨论原子结构的问题了。</p>

  <p align="justify" height="1em" width="2em">在我现在挂出的这幅图上（请看下图），你们可以看到，波动力学理论是怎样从“弥散轨道”的观点出发去设想电子在原子中的运动的。这幅图所表示的正好是上一幅图用古典方法表示出的那些运动类型（不过，由于技术上的原因，现在把每一种运动类型分开画成一个小图），但是，我们现在所看到的不是玻尔理论那种轮廓清楚的轨道，而是一些同基本的测不准原理相一致的模模糊糊的图形。现在标注在这些不同运动状态旁边的记号和上一幅图中的记号相同，把这两幅图比较一下，并且只要稍稍运用你们的想象力，你们就会发现，我们这些云雾状的图案相当忠实地摹写了旧的玻尔轨道的一般特点。</p>

  <p align="justify" height="1em" width="0pt"><img align="baseline" alt="" height="373" src="../Images/Image00105.jpg" width="374" /></p>

  <p align="justify" height="1em" width="2em">我们现在有一些模模糊糊的图形</p>

  <p align="justify" height="1em" width="2em">这些图十分清楚地表明，在量子起作用的场合下，古典力学那些美妙的旧式轨道会发生什么样的变化，尽管有些门外汉会把这种图景看做是荒唐的梦想，但那些研究原子的微观世界的科学家，却能够毫无困难地采纳它。</p>

  <p align="justify" height="1em" width="2em">我们这样简短地讨论了原子的电子大气的可能运动状态以后，现在碰到了一个重要的问题，这就是：原子中的电子在各个不同的可能运动状态中是怎样分布的？这里，我们又一次接触到一个新的原理——一个我们在宏观世界中非常不熟悉的原理。这个原理是泡利最先提出的，它规定：在任何一个原子的电子集体中，不能够有两个电子同时具有相同的运动状态。在古典力学中，这个限制是没有多大意义的，因为在古典力学中有无限多种可能的运动状态。但是，既然量子规律已经大大缩减了“许可的”运动状态的数目，泡利原理在微观世界中就起着非常重要的作用了：它保证电子或多或少均匀地分布在原子核周围，不容许它们拥挤在某个特定的点上。</p>

  <p align="justify" height="1em" width="2em">不过，你们千万不要从上面所说的这个新原理出发作出结论说，在图上表示出的每一个弥散的量子运动状态，只能够被一个电子所“占据”。事实上，每一个电子除了沿着它的轨道围绕原子核运动以外，还要绕着它自己的轴自转（自旋），就像地球除了绕太阳作轨道运动外，还要绕着南北极轴自转那样。因此，如果两个电子自旋的方向不同，那么，它们沿着同一个轨道围绕原子核运动，就根本不会让泡利博士感到为难了。目前对电子自旋的研究表明，电子围绕自己的轴旋转的速度永远是相同的，并且，电子自旋轴的方向必定永远与轨道平面相垂直。这样，电子就只能够有两个不同的自旋方向，我们可以用“顺时针方向”和“逆时针方向”来代表它们。</p>

  <p align="justify" height="1em" width="2em">这样一来，泡利原理在用于原子的量子态时，可以改变成下面的说法：“占据”每一个量子运动状态的电子不能多于两个，并且，这两个电子的自旋方向必须相反。因此，当我们沿着元素的天然序列向电子数越来越多的原子推进时，我们就会发现，不同的量子运动状态一个个被电子逐步充填，原子的直径也不断随之增大。</p>

  <p align="justify" height="1em" width="2em">在这方面还必须指出，从电子结合强度的角度来看，我们可以把原子中电子的不同量子态归并成结合能大致相同的几组分立的量子态（或者称为电子壳层）。当顺着元素的天然序列推进时，这些量子态总是一组充填满以后，才接着充填另一组，并且，由于电子顺序充填各个电子壳层的结果，各种原子的性质也周期性地改变。这就解释了俄国化学家门捷列夫靠经验发现的元素周期性，这种周期性现在是大家都已经非常熟悉的了。</p>

  <p><br />
  <br />
  <span id="filepos0000364157"></span></p>

  <p align="justify" height="0pt" width="0pt"></p>

  <table align="justify" valign="top">
    <tr align="justify" valign="top">
      <td align="justify" valign="top"><a href="../Text/text00001.html#filepos0000350716"><font color="blue"><u>[1]&nbsp;</u></font></a></td>

      <td align="justify" valign="top">这就是化学中的倍比定律。——译者注&nbsp;</td>
    </tr>
  </table>

  <p><span id="filepos0000364480"></span></p>

  <p align="justify" height="0pt" width="0pt"></p>

  <table align="justify" valign="top">
    <tr align="justify" valign="top">
      <td align="justify" valign="top"><a href="../Text/text00001.html#filepos0000353004"><font color="blue"><u>[2]&nbsp;</u></font></a></td>

      <td align="justify" valign="top">这里指的是天然存在的元素，不包括超铀元素在内。如包括后者，至1998年已发现的共有109 种。——译者注&nbsp;</td>
    </tr>
  </table>

  <p><span id="filepos0000364892"></span></p>

  <p align="justify" height="0pt" width="0pt"></p>

  <table align="justify" valign="top">
    <tr align="justify" valign="top">
      <td align="justify" valign="top"><a href="../Text/text00001.html#filepos0000353545"><font color="blue"><u>[3]&nbsp;</u></font></a></td>

      <td align="justify" valign="top">卢瑟福（Ernest Rutherford），1871~1931，在放射性物质方面，他有许多发现。他对物理学的最重要的贡献，是他提出了原子由原子核和周围电子构成的理论，他因此获得1908 年的诺贝尔化学奖。——译者注&nbsp;</td>
    </tr>
  </table>

  <p><span id="filepos0000365457"></span></p>

  <p align="justify" height="0pt" width="0pt"></p>

  <p align="center" height="1em" width="0pt"><font size="7"><b>12. 在原子核内部</b></font></p>

  <p align="justify" height="1em" width="2em">汤普金斯先生出席的下一个演讲会，是专门介绍原子核的内部结构的。现在教授开始演讲了。</p>

  <p align="justify" height="1em" width="2em">女士们，先生们：</p>

  <p align="justify" height="1em" width="2em">我们在越来越深入地发掘物质的结构时，现在应该用我们智力上的眼睛，试一试观察原子核的内部了。原子核的内部是只占原子本身总体积几亿分之一的神秘区域；尽管这个新的研究领域的尺寸小得难以置信，但我们将发现，它具有了非常巨大的活动性。事实上，原子核毕竟是原子的心脏，虽然它的体积只占原子总体积的10 <sup><small><font size="1">-15</font></small></sup> ，但它却大约占有原子总质量的99.97％。</p>

  <p align="justify" height="1em" width="2em">在从原子那个密度稀薄的电子云进入原子核区域时，我们马上会因为其中粒子极端拥挤的状态而感到惊奇。平均说来，在原子大气中，电子的活动范围比它自己的直径大几十万倍，而居住在原子核内部的粒子，却确实是一个紧挨着一个地挤在一起，把原子核挤得满满的，只能勉强地移动。从这个意义上说，原子核内部的景象与一般液体很相似，不过我们现在所碰到的不是分子，而是比分子小得多的粒子，即所谓质子和中子。在这里应该指出，质子和中子尽管名称不一样，但人们现在却把它们看做是同一种重基本粒子——即所谓“核子”——的两种不同的带电状态。质子是带正电的核子，中子是电中性的核子。至于说到核子的几何大小，那么，它们同电子并没有多大差别，直径约为10 <sup><small><font size="1">-12</font></small></sup> 厘米。不过，核子比电子重得多，要用1840个电子放在天平的一端，才能同放在另一端的一个质子（或中子）相平衡。我已经说过，构成原子核的粒子彼此挤得非常紧，这是由某种特殊的原子核内聚力（强核力）的作用决定的。这种力同作用于液体分子之间的力很相似，并且就像液体的情形那样，尽管这种力能够防止各个粒子完全分离开，却并不妨碍各个粒子发生相对位移。这样一来，原子核物质就具有某种程度的流体的性质，它在不受任何外力的干扰时，总是像普通的水滴那样呈球形。在我现在拿出的这张示意图上，你们可以看到由质子和中子构成的几种不同的原子核。最简单的一种是氢的原子核，它只含有一个质子，而最复杂的铀原子核却含有92个质子和142个中子。 当然，你们应该把这些图形看做是真实情况的高度公式化的示意图，因为根据量子论那个最基本的测不准原理，每一个核子的位置实际上都“弥散”到整个原子核区域。</p>

  <p align="justify" height="1em" width="0pt"><img align="baseline" alt="" height="282" src="../Images/Image00112.jpg" width="328" /></p>

  <p align="justify" height="1em" width="2em">氢、氘、氦和铀的原子核</p>

  <p align="justify" height="1em" width="2em">我已经说过，构成原子核的各个粒子是由很强的内聚力维持在一起的，但是，除了这种引力以外，在原子核内还存在着另一种作用方向与它相反的力。事实上，大约占原子核成员总数的一半的质子是带正电的，它们会由于库仑静电力的作用而互相排斥。对于比较轻的原子核来说，由于其中的电荷比较少，这种库仑斥力是无足轻重的，但是，在原子核比较重、电荷很多的场合下，库仑斥力就会同强核引力激烈地竞争。核力是短程力，只在相邻的核子之间起作用，而静电力却是长程力。这就意味着，处在原子核外围的质子只受到紧邻的核子的吸引，而却受到原子核内所有其他质子的排斥。当原子核内的质子增多时，斥力会变得越来越强，而引力并不随之增大。因此，当质子超过一定的数量时，原子核就不再是稳定的，它倾向于把它的某些组成部分驱逐出去，这就是许多处在周期表末尾的元素，即所谓“放射性元素”所发生的情形。</p>

  <p align="justify" height="1em" width="2em">你们可能会从上面的叙述得出结论说，这些不稳定的重原子核会把质子发射出去，因为中子不带任何电荷，所以，它们不是库仑斥力所要排斥的对象。但是，实验告诉我们，实际上被发射出的粒子是所谓“α粒子”（氦的原子核），这是由两个质子和两个中子构成的一种复合粒子。这个事实应该用原子核各个组成部分特殊的结合方式来解释。原来，由两个质子和两个中子结合成α粒子这样的组合特别稳定，因此，一下子把这整个粒子团抛出，要比把它分裂成质子和中子容易得多。</p>

  <p><span id="filepos0000370596"></span></p>

  <p align="justify" height="1em" width="2em">你们大概已经知道，放射性衰变现象是法国物理学家贝克勒尔 <a href="../Text/text00001.html#filepos0000385210"><font color="blue"><u>[1]</u></font></a> 最先发现的；而把它解释成原子核自发嬗变的结果的，则是著名的英国物理学家卢瑟福。关于卢瑟福，我过去在谈到别的问题时已经提到过了，由于他在原子核物理学中有过许多重要的发现，他对科学所做的贡献是很大的。</p>

  <p align="justify" height="1em" width="2em">α衰变过程的一个最重要的特点是：α粒子要找到离开原子核的“门路”，往往需要极长的时间。在铀和钍的情况下，这个时间大约是几十亿年，在镭的场合下，它大约是16个世纪。此外，尽管有些元素只要几分之一秒就发生衰变，但是，它们的整个寿命同原子核内部运动的速度比较起来、仍然可以认为是非常之长的。</p>

  <p align="justify" height="1em" width="2em">那么，是什么力量使α粒子有时在原子核内停留几十亿年之久呢？再说，既然它已经停留这么久了，为什么它最后又会发射出来呢？</p>

  <p align="justify" height="1em" width="2em">为了回答这个问题，我们必须先简单地谈谈内聚引力和作用于粒子、使它们脱离原子核的静电斥力的相对强度。卢瑟福曾经利用所谓“轰击原子”的方法，对这两种力作了细致的实验研究。卢瑟福在卡文迪许实验室做过一个著名的实验，他让一束从某种放射性物质发射出的快速运动的α粒子射到物质上，并观察这些原子炮弹由于同被轰击物质的原子核碰撞而发生的偏转（散射）。这种实验证明了这样一个事实：当这些炮弹离原子核比较远时，它们受到核电荷的长程静电斥力的强烈排斥，但是，如果它们能够射到非常靠近原子核区域的外界，这种斥力就会被强烈的引力所取代。可以说，原子核有点像一个四周有又高又陡的围墙的堡垒，它的围墙既不让粒子从外部进入，也不让粒子从里面逸出。但是，卢瑟福实验的最令人惊讶的结果也就在于：不管是在放射性衰变过程中发射出的α粒子，还是从外部射入原子核的炮弹，它们实际拥有的能量都太小了，不足以从围墙——即我们物理学家常说的“势垒”——上面越过。这是一个同古典力学的全部概念完全相矛盾的事实。真的，要是滚一个皮球所用的能量远远小于它达到山顶所需要的能量，你怎能期望它越过山顶滚过去呢？在这种情况下，古典物理学只好瞪大眼睛，假定卢瑟福的实验肯定有某种错误了。</p>

  <p><span id="filepos0000373354"></span></p>

  <p align="justify" height="1em" width="2em">其实，这里并没有任何错误。如果说这里有什么错误的话，那么，犯错误的决不是卢瑟福，而恰恰是古典力学自己。这种局面已经由伽莫夫、格尼和康登 <a href="../Text/text00001.html#filepos0000385649"><font color="blue"><u>[2]</u></font></a> 同时澄清了，他们指出，只要从量子论的观点来考虑这个问题，就不会产生任何疑难了。事实上，我们已经知道，今天的量子物理学并不承认古典理论那种非常确定的、呈曲线状的轨道，而用幽灵般模糊的径迹来代替它们。并且，正像古老传说中的幽灵能够毫无困难地穿过古城堡厚厚的石墙一样，这种幽灵般的轨道也能够穿透那种从古典观点看来完全无法穿透的势垒。</p>

  <p align="justify" height="1em" width="2em">请大家不要以为我是在开玩笑。势垒被能量不够大的粒子所穿透的可能性，确实是新的量子力学的基本方程直接给出的数学结果，它代表新、旧运动概念之间的一个最重大的差异。不过，新的力学虽然容许出现这种不寻常的效应，但却是在加上严格限制的条件下才容许这样做的：在绝大多数场合下，穿过势垒的机会都极其微小，被禁闭的粒子肯定要往墙上撞许许多多次（次数多到无法置信），才能够最后获得成功。量子论为我们提供了一些计算这种逃逸概率的精确公式，现在事实已经证明。我们所观察到的α衰变的周期是同这种理论预测完全相符的。即使是对于那些从外部射入原子核的炮弹来说，量子力学的计算结果也同实验非常一致。</p>

  <p align="justify" height="1em" width="2em">在进一步深入讨论之前，我想先让大家看几张照片，它们显示了几种被高能原子炮弹击中的原子核的衰变过程。</p>

  <p align="justify" height="1em" width="2em">第一张是旧的云室照片。我应该说明一下，由于这些亚原子粒子非常非常之小，人们是不能够直接看到它们的，即使是用倍数最大的显微镜也不行。所以，你们一定想不到我能为大家提供它们的真实照片了。可是情况并不如此，我们只要利用一些巧妙的方法，就可以做到这一点。</p>

  <p align="justify" height="1em" width="2em">请大家设想一架高速飞行的飞机所留下的蒸汽尾迹吧！那架飞机本身可能飞得非常快，因而很难看到它，事实上，当你想看它的时候，它可能根本已经不再在那里了。但是，我们却可以从它留在身后的蒸汽尾迹知道它的行踪。威尔孙就是用这种简单的方法把亚原子粒子变成“可见的”。他制造了一个含有气体和水蒸气的观察室，然后利用一个活塞，使气体突然发生膨胀。这会使室内的温度立即降低，从而使蒸汽处于过饱和状态。这样的蒸汽全都倾向于形成云。但是，云是不会无缘无故就开始形成的，必须有一些中心可以使蒸汽附着在上面凝结成小水滴，否则，一个水滴就不会开始在某个地方（而不在另一个地方）产生了。在云的形成过程中通常发生的情况，是大气中存在的尘埃粒子变成蒸汽优先选择的中心，蒸汽可以附着在上面开始凝结。不过，威尔孙云室的巧妙之处却在于他把一切尘埃都清除干净。那么，小水滴会在什么地方形成呢？原来当时已经发现，当带电粒子通过媒质运动时，它会使它路上的原子发生电离（也就是说，会从那些原子中击出一些电子）。这些电离了的原子便是很好的冷凝中心，依靠它们可以形成越来越大的水滴。因此，在云室中发生的情况是：只要有带电粒子在其中穿过（同时在其身后留下一串电离了的原子）。那么，在云室内就会形成一串小水滴，这些小水滴在几分之一秒内就长得很大，使人们可以看到它们，并对它们进行摄影。我现在挂出的这张图，就是发生这种情况时的照片。</p>

  <p><span id="filepos0000377473"></span></p>

  <p align="justify" height="1em" width="2em">大家可以看到，从图的左边开始出现许多串小水滴，每一串都是从图中没有示出的强α射线源发出的一个α粒子所造成的，这些α粒子大多没有发生一次严重的碰撞就穿过我们的视场，但是其中有一个（就是刚刚低于图的中线的那一串）正好击中了一个氮原子核。那个α粒子的径迹终止在碰撞点上，大家可以看到，就从这个点上出现了另外两个径迹：朝左上方飞去的那条较细的长径迹是从氮原子核中击出的一个质子留下的，而那条较粗的短径迹则代表原子核自身的反冲。不过，现在它已经不再是氮原子核了，因为氮原子核在失去一个质子和吸收入射的α粒子以后，已经转变成氧原子核了。这样一来，我们现在已经用“炼金术”把氮转变成氧和副产品氢。我之所以让大家看这张照片，是因为它是有史以来拍摄到的第一张使元素发生人为转变的照片，它是卢瑟福的学生布莱克特 <a href="../Text/text00001.html#filepos0000386075"><font color="blue"><u>[3]</u></font></a> 拍到的。</p>

  <p align="justify" height="1em" width="0pt"><img align="baseline" alt="" height="294" src="../Images/Image00116.jpg" width="434" /></p>

  <p align="justify" height="1em" width="2em">这里形成了许多串小水滴</p>

  <p align="justify" height="1em" width="2em">这张照片所表明的核嬗变，是今天实验物理学所研究的几百种核嬗变当中的相当有代表性的例子。在所有这类被称为“置换核反应”的核嬗变中，都有一个入射粒子（质子、中子或α粒子）进入原子核，把另一个粒子打出去，它自己则置换了这个粒子。我们可以用α粒子置换质子，可以用质子置换α粒子，也可以用中子置换质子，等等。在所有这些嬗变中，反应过程中产生的新元素在周期表上都是那个被轰击元素的近邻。</p>

  <p><span id="filepos0000379432"></span></p>

  <p align="justify" height="1em" width="2em">一直到第二次世界大战的前夕，才有两个德国化学家哈恩 <a href="../Text/text00001.html#filepos0000386500"><font color="blue"><u>[4]</u></font></a> 和斯特拉斯曼发现了一种完全新型的原子核变化，在这种变化中，一个重的原子核分裂成两个大致相等的部分，同时释放出极其大量的能量。在下一张挂图中，你们可以看到铀原子核两块碎片从一张很薄的铀箔向彼此相反的方向飞出。这种现象被称为“核裂变反应”，最初是在用中子束轰击铀的场合下发现的，但是，人们很快就查明，靠近周期表末尾的其他元素也具有类似的性质。</p>

  <p align="justify" height="1em" width="0pt"><img align="baseline" alt="" height="308" src="../Images/Image00027.jpg" width="461" /></p>

  <p align="justify" height="1em" width="2em">这种现象被称为核裂变反应</p>

  <p align="justify" height="1em" width="2em">看来，这些重原子核确实已经处在它们的稳定性的边缘了，所以，尽管中子的撞击只提供很小的刺激，却已足以使它们一分为二。像一滴太大的水银那样分成较小的液滴了。重原子核具有这种不稳定性的事实，使人们想到应该怎样解释为什么自然界中只有92种元素的问题。事实上，任何一种比铀更重的元素都无法存在很久，它们会立即自发地分裂成许多小得多的碎片，而且不需要任何外来的刺激。</p>

  <p align="justify" height="1em" width="2em">从实用的观点看，核裂变现象是很有意义的，它可能成为核能源：当重核分裂时，它们会以辐射和快速运动粒子的形式发射出能量。在被发射出的粒子当中，有一些是中子。它们可以进一步引起邻近原子核的裂变，而后者又能够导致更多中子的发射，产生更多次的裂变，也就是发生所谓的链式反应。只要铀原料足够多（我们称之为临界质量），被发射出的中子便有足够高的概率去击中其他原子核，并引起下一轮的裂变，从而使裂变过程自动持续下去。事实上，这可能演变成一种爆炸性的反应，在几分之一秒的时间内就把贮藏在那些原子核里的能量统统释放出来。这就是第一颗原子弹所依据的原理。</p>

  <p align="justify" height="1em" width="2em">但是，链式反应并不一定会导致一场爆炸。在严格控制的条件下，这种过程也可以有节制地持续进行下去，同时稳定地释放出一定数量的能量。这正是核电站里发生的情形。</p>

  <p align="justify" height="1em" width="2em">像铀这类重元素的核裂变，并不是开发原子核能的惟一途径，在利用原子核能方面，还有一种完全不同的办法。这就是把最轻的元素（如氢）合成比较重的元素。这种过程称为核聚变反应。</p>

  <p align="justify" height="1em" width="2em">当两个轻原子核相接触时，它们会像小盘上的两小滴水银一样，聚合在一起，这种情形只有在非常高的温度下才能够发生，要不然，静电斥力就不允许互相靠近的轻原子核彼此发生接触。但是，当温度达到几千万摄氏度时，静电斥力已不再能阻碍轻原子核互相接触，于是，聚变过程就开始了。最适合于聚变反应的原子核是氘核，这就是重氢的原子核。重氢是很容易从海水中提取的。</p>

  <p align="justify" height="1em" width="0pt"><img align="baseline" alt="" height="492" src="../Images/Image00016.jpg" width="445" /></p>

  <p align="justify" height="1em" width="2em">聚变和裂变都能够释放出能量</p>

  <p align="justify" height="1em" width="2em">现在也许大家会觉得奇怪：为什么聚变和裂变都能够释放出能量呢？要点在于，中子和质子的某几种组合要比其他组合束缚得更牢固一些；当从束缚得较松散的组合变成核子束缚得更有效的组合时，就有一些多余的能量可以释放出来。原来，重的铀原子核是束缚得相当松散的；所以它能够通过分裂成较小的群组而转变成若干个更牢固的组合。而在周期表的另一端（轻元素的那一端），却是核子的较重的组合，束缚得比较牢固。例如，由两个质子和两个中子组成的氦原子核就束缚得异常牢固。因此，如果能设法迫使几个分开的核子或氘核发生碰撞而结合成氦时，就会有一些能量可以释放出来。</p>

  <p align="justify" height="1em" width="2em">氢弹就是根据这个原理制成的。在氢弹爆炸时，氢通过包括聚变在内的一些反应转变成氦，这时所释放出的能量要多得多，因此，氢弹的威力也要比靠裂变造出的第一代核武器大得多。遗憾的是，科学家们已经证明，要想和平使用氢弹的威力，其困难也要大得多——在建成利用聚变能量的民用核电站以前，还有很长的路要走！</p>

  <p align="justify" height="1em" width="2em">不过，太阳却毫无困难地做到了这一点。氢不断连续地转变成氦是太阳的主要能源。过去，太阳已经成功地以稳定的速率把这种反应维持了50亿年，将来，它还会再把它维持50亿年。</p>

  <p align="justify" height="1em" width="2em">在质量比太阳更大的恒星上，由于其内部温度更高，便发生了许多更进一步的聚变反应，这些反应把氦转变成碳，把碳转变成氧，等等，等等，直到变成铁元素为止。到了铁以后，从聚变反应就得不到什么可用的能量了（在中等质量的元素里，核子的束缚比较牢固）。因此，要想得到有用的能量，就只好指望相反的过程——像铀这类重原子核的裂变了。</p>

  <p><br />
  <br />
  <span id="filepos0000385210"></span></p>

  <p align="justify" height="0pt" width="0pt"></p>

  <table align="justify" valign="top">
    <tr align="justify" valign="top">
      <td align="justify" valign="top"><a href="../Text/text00001.html#filepos0000370596"><font color="blue"><u>[1]&nbsp;</u></font></a></td>

      <td align="justify" valign="top">贝克勒尔（Henri Becquerel），1852~1908，他由于研究荧光现象而发现铀的放射性，并因此获得1903 年的诺贝尔物理学奖。——译者注&nbsp;</td>
    </tr>
  </table>

  <p><span id="filepos0000385649"></span></p>

  <p align="justify" height="0pt" width="0pt"></p>

  <table align="justify" valign="top">
    <tr align="justify" valign="top">
      <td align="justify" valign="top"><a href="../Text/text00001.html#filepos0000373354"><font color="blue"><u>[2]&nbsp;</u></font></a></td>

      <td align="justify" valign="top">格尼（Ronald Gurney）和康登（E. U. Condon），美国物理学家，他们最先指出，α 衰变可以用隧道效应来解释。——译者注&nbsp;</td>
    </tr>
  </table>

  <p><span id="filepos0000386075"></span></p>

  <p align="justify" height="0pt" width="0pt"></p>

  <table align="justify" valign="top">
    <tr align="justify" valign="top">
      <td align="justify" valign="top"><a href="../Text/text00001.html#filepos0000377473"><font color="blue"><u>[3]&nbsp;</u></font></a></td>

      <td align="justify" valign="top">布莱克特（Patrick Blackett），1897~1974，英国物理学家，他由于研究宇宙线而获得1948 年的诺贝尔物理学奖。——译者注&nbsp;</td>
    </tr>
  </table>

  <p><span id="filepos0000386500"></span></p>

  <p align="justify" height="0pt" width="0pt"></p>

  <table align="justify" valign="top">
    <tr align="justify" valign="top">
      <td align="justify" valign="top"><a href="../Text/text00001.html#filepos0000379432"><font color="blue"><u>[4]&nbsp;</u></font></a></td>

      <td align="justify" valign="top">哈恩（O. Hahn），生于1879 年，他由于发现铀原子的裂变而获得1944 年的诺贝尔化学奖。——译者注&nbsp;</td>
    </tr>
  </table>

  <p><span id="filepos0000386931"></span></p>

  <p align="justify" height="0pt" width="0pt"></p>

  <p align="center" height="1em" width="0pt"><font size="7"><b>13. 老木雕匠</b></font></p>

  <p align="justify" height="1em" width="2em">那天晚上，汤普金斯先生听完演讲回到家里，发现慕德已经上床睡着了。他给自己冲了一杯热的巧克力，在她身旁坐下，回想着那篇演讲的内容。他特别想起同原子弹有关的那部分。核毁灭的威胁一直使他感到十分不安。</p>

  <p align="justify" height="1em" width="2em">“这种事可不能发生，”他默默地想着，“我可得当心，要不，我一定会做噩梦的。”</p>

  <p align="justify" height="1em" width="2em">他放下喝空的杯子，关了灯，挨着慕德躺下，很幸运，他的梦并不全都是不愉快的……</p>

  <p align="justify" height="1em" width="2em">汤普金斯先生发现自己在一个作坊里。作坊的一侧有一张长长的木质工作台，上面摆着些简单的木匠工具。在那靠在墙边的老式橱架上，他发现大量各种各样奇形怪状的木雕品。一个看来挺和善的老头正在工作台边干活，汤普金斯先生在更仔细地观察他的相貌以后，他觉得这个老头既像迪斯尼的《木偶奇遇记》中那个格佩托老头，又像教授实验室的墙上挂着的那幅已故的卢瑟福的照片。</p>

  <p align="justify" height="1em" width="2em">“请原谅我的打扰，”汤普金斯先生冒昧他说，“我注意到，你长得很像卢瑟福爵士——就是那位核物理学家。你们是不是碰巧有什么亲戚关系呢？”</p>

  <p align="justify" height="1em" width="2em">“你为什么问这个？”老头说，他把他正在雕刻的那块木头放在一边，“你是不是想说，你对核物理学很感兴趣？”</p>

  <p align="justify" height="1em" width="2em">“事实上，正是这样。”汤普金斯先生回答道，然后又谦虚地补充了一句，“我不是专家，我应该赶快声明……”</p>

  <p align="justify" height="1em" width="2em">“那么，你来得正是地方。我正好在这里制造各种原子核，我很乐意让你看看我这个小作坊。”</p>

  <p align="justify" height="1em" width="2em">“你说你在制造原子核？”汤普金斯先生相当惊讶地说。</p>

  <p align="justify" height="1em" width="2em">“正是这样。自然，这需要有一些技巧，特别是在制造放射性原子核的场合下，因为它们可能在你来得及把它们涂上颜色以前，就已经分裂开了。”</p>

  <p align="justify" height="1em" width="2em">“把它们涂上颜色？”</p>

  <p align="justify" height="1em" width="0pt"><img align="baseline" alt="" height="750" src="../Images/Image00091.jpg" width="459" /></p>

  <p align="justify" height="1em" width="2em">我把带正电的粒子涂上红色，把带负电的粒子涂上绿色。</p>

  <p><span id="filepos0000389799"></span></p>

  <p align="justify" height="1em" width="2em">“是的，我把带正电的粒子涂上红色，把带负电的粒子涂上绿色。你大概已经知道，红色和绿色是所谓‘补色’，如果把这两种颜色混在一块，它们就会相抵消。 <a href="../Text/text00001.html#filepos0000410200"><font color="blue"><u>[1]</u></font></a> 这正好同正、负电荷相互抵消相对应。如果原子核由等量来回迅速运动的正、负电荷所组成，它就应该是电中性的，在你看来，它就应该呈白色。但是，如果正电荷或负电荷多一些，整个系统就会带点红色或带点绿色。这很简单，不是吗？”</p>

  <p align="justify" height="1em" width="2em">“瞧，”老头让汤普金斯先生看桌边的两个大木盒，继续说道，“这就是我保存原料的地方，用这些原料可以制造出各种原子核。第一个盒子里放的是质子，也就是里面的红球。它们是非常稳定的，永远保持红色，除非你用刀子或旁的什么东西把颜色刮掉。让我担心得多的是第二个盒子里的所谓中子。它们在正常情况下是白色的，或者说是电中性的，但是，它们非常倾向于变成红色的质子。只要这个盒子盖得严严实实，一切就保持正常；但是，你一旦把它们拿出一个来，你就看看会发生什么事情吧。”</p>

  <p align="justify" height="1em" width="2em">那个老木雕匠打开盒子，拿出一个白球放在工作台上。在那一刹那，似乎什么事情也没有发生，但是，汤普金斯先生刚刚丧失了等它起变化的耐心，那个球却突然变活了。在它的表面上呈现出一些不规则的红、绿条纹，有那么一会儿，那个球看来就像是孩子们非常喜爱的那种带色的玻璃弹球。然后，绿色逐渐集中到球的一侧，最后完全和那个球分离，形成很绚丽的一滴绿点，掉落在地板上。那个球现在整个变成红色，同第一个盒子里的任何一个红色质子都毫无区别了。</p>

  <p align="justify" height="1em" width="0pt"><img align="baseline" alt="" height="535" src="../Images/Image00058.jpg" width="180" /></p>

  <p align="justify" height="1em" width="2em">“你已经看到发生什么事情了，”他说，一面把那滴绿色的颜料捡起来——现在它已经变得很硬很圆了，“中子的白色分解成红色和绿色，这样，这整个球就分裂成３个独立的粒子，１个质子和１个带负电的电子。”</p>

  <p align="justify" height="1em" width="2em">“对了，”他看着汤普金斯先生脸上那惊异的表情，补充说，“这个翡翠色的粒子不是别的，而恰恰是个普通的电子，它同原子中或别的地方的电子是完全相同的。对了，还有一个中微子。”</p>

  <p align="justify" height="1em" width="2em">“还有什么？”汤普金斯先生间道，他显得十分困惑。“对不起，你最后提到的是什么，你能再说一遍吗？”</p>

  <p align="justify" height="1em" width="2em">“是中微子，”老木雕匠重复了一遍，“它跑到那里去了，”他指着另一端的墙壁补充说，“难道你没有注意到它？”</p>

  <p align="justify" height="1em" width="2em">“是的，是的，现在我看见它了，”汤普金斯先生急忙答道。“但是，它跑到哪里去了？我再也看不见它了。”</p>

  <p align="justify" height="1em" width="2em">“哦，中微子是种非常滑溜的东西。它能穿过一切物体：关着的门啦，坚硬的墙啦，它都能穿过去。我可以打发它直接穿过整个地球，让它从另一侧飞出去。”</p>

  <p align="justify" height="1em" width="2em">“啊哈！”汤普金斯先生惊叹他说，“这肯定比我看到过的任何一种变彩色手帕的戏法高明多了。但是，你还能够把颜色变回来吗？”</p>

  <p align="justify" height="1em" width="2em">“能，我可以把绿颜料再揉回这个红球的表面上，让它再一次变成白的，不过，这当然需要花费一些能量啦。还有一种做法是把红色的颜料刮掉，这同样要用掉一些能量。这时，从质子表面刮下来的颜料会形成一滴红颜料，这是一个正电子，这种粒子你大概已经听说过了。”</p>

  <p align="justify" height="1em" width="2em">“是的，当我自己是个电子的时候……”汤普金斯先生起初这样说，但他很快就纠正了自己的话，“我是说，我听说过，当正电子和负电子碰到一块的时候，它们就会互相湮没而消失掉，”他说，“你也能给我变变这种戏法吗？”</p>

  <p align="justify" height="1em" width="2em">“哦，这是很简单的事，”老头说，“不过，我不想费牛劲去把颜料从这个质子上刮下来，因为我上午工作的结果，这里还多出两个正电子哩。”</p>

  <p align="justify" height="1em" width="2em">他拉出一个抽屉，拿出一个微小的、明亮的小红球，他用大拇指和食指把它牢牢地捏住，然后放在台子上那个小绿球的旁边。这时发出了一声尖锐的、像鞭炮爆炸那样的响声，那两个小球一下子全消失了。</p>

  <p align="justify" height="1em" width="2em">“你看到了吗？”木雕匠说，一面向他那几个被轻微烧伤的指头上吹气。“这就是为什么不能用电子来制造原子核的原因。我曾经一度想这样做，但完完全全地失败了。现在我只有采用质子和中子。”</p>

  <p align="justify" height="1em" width="2em">“可是，中子同样是不稳定的，不是吗？”汤普金斯先生问道，他还没有忘记老头的上一个表演。</p>

  <p align="justify" height="1em" width="2em">“当中子单独存在时，它们是不稳定的。但是，当把它们紧紧地塞入原子核中，并把别的粒子放在它们周围时，它们就变得非常稳定了。不过，要是中子或质子相对说来大多了，它们就会自己发生转化，这时，多余的颜料就会以正电子或负电子的形式从原子核中发射出来。我们把这样一种调整方式叫做β衰变。”</p>

  <p align="justify" height="1em" width="2em">“在制造原子核时要用胶水吗？”汤普金斯先生很感兴趣地问。</p>

  <p align="justify" height="1em" width="2em">“一点也不需要，”老头回答说，“你知道，只要把这些粒子弄到一块，让它们接触，它们自己就会互相粘住。要是你愿意，你可以自己试试看。”</p>

  <p align="justify" height="1em" width="2em">汤普金斯先生按照这个建议，一手拿一个质子、一手拿一个中子，小心翼翼地把它们放到一块。他马上感到有一种强烈的吸引力，当他仔细观看这两个粒子时，他发现了一种极端奇怪的现象。这两个粒子不断地交换它们的颜色，一会儿变红，一会儿变白，好像红颜料正在从他右手的球“跳到”左手的球上，然后又跳回来似的。颜色的这种移动是如此之快，以至于这两个球看来好像被一条粉红色的带子绑在一块，而颜料的色彩就沿着这条带子来回振动。</p>

  <p align="justify" height="1em" width="2em">“这就是我那些搞理论物理的朋友叫做交换现象的玩意儿，”老工匠说，他因为看到汤普金斯先生的惊讶而大为开心，“当你把两个球这样放在一起的时候，这两个球全都倾向于成为红色的，也就是说，它们全都想占有那个电荷。但是，既然它们不能够同时占有这个电荷，它们就轮流把它拉来拉去，谁也不愿意把它交出来，结果，这两个球就粘在一块，你只有使劲才能把它们分开。现在我可以做给你看看，要制造任何你想要的原子核是多么简单的事。你想要什么原子核呢？”</p>

  <p align="justify" height="1em" width="2em">“金子。”汤普金斯先生说。他想起中世纪的炼金术士所想达到的那个目的。</p>

  <p align="justify" height="1em" width="2em">“金子吗？让我们做做看吧，”老工匠转向墙上挂着的一张大图表，喃喃地念道，“金的质量是197个单位， 它带有79个正电荷。这就是说，我必须拿出79个质子， 再加上118个中子，才能得到正确的质量。”</p>

  <p align="justify" height="1em" width="2em">他数出了那么多个粒子，把它们放入一个长长的圆筒里，并用一个笨重的木塞把它整个塞上。然后，他使尽全身力气，把木塞往下压。</p>

  <p align="justify" height="1em" width="2em">“我必须这样做，”他向汤普金斯先生解释说，“因为带正电的质子之间的电斥力非常强。一旦这种斥力被木塞的压力所克服，质子和中子就会由于它们的相互交换力而粘在一块，形成我们想制造的原子核了。”</p>

  <p align="justify" height="1em" width="2em">他尽可能把木塞压到最深的地方，然后再把它拔出来，并且迅速地把圆筒翻个底朝天。于是，一个闪闪发光的粉红色圆球滚到台子上，汤普金斯先生仔仔细细地观察了它，发现这种粉红色是由于那些迅速运动着的粒子交替发出红色和白色闪光而造成的。</p>

  <p align="justify" height="1em" width="2em">“多么美丽啊！”他惊叹道，“那么，这就是一个金原子了？”</p>

  <p align="justify" height="1em" width="2em">“还不是原子，只不过是原子核而已，”老木雕匠纠正他说，“要制成原子，还必须添加适当数量的电子去中和原子核的正电荷，也就是说，必须造成一个通常的电子外壳把原子核包住。不过，这是很容易做到的，只要在原子核周围有一些电子，原子核自己就会把它们抓住的。”</p>

  <p align="justify" height="1em" width="2em">“奇怪，”汤普金斯先生说，“我岳父从来没有提起过，人们能够这样简单地制造出金子来。”</p>

  <p align="justify" height="1em" width="2em">“你岳父同其他那些原子核物理学家啊！”老头感慨地说，他的话里带着一种恼怒的音调，“是的，他们能够把一种元素变成另一种元素，可是，他们做得很笨拙，范围也非常有限。他们所得到的新元素的数量，少到连他们自己也很难看到它。我来让你看看他们是怎样做的。”于是，他拿起一个质子，用相当大的力量把它朝台子上那个金原子核扔去。在接近那个原子核外围的时候，质子的速度稍稍变慢了一些，犹豫了片刻，然后撞进原子核中去了。那个原子核在吞没质子之后，好像发高烧似地哆嗦了一会儿，然后劈啪一声分裂出一小部分来。</p>

  <p align="justify" height="1em" width="2em">“你看，”他拣起那块碎片说，“这就是他们叫做α粒子的那种东西，如果你仔细地把它检查一下，你就会发现它含有两个质子和两个中子。这样的粒子通常是从所谓放射性元素的重原子核中发射出来的，不过，要是把普通的稳定原子核敲打得足够狠，你也可以把这种粒子敲出来。我应该请你注意这样一个事实：现在留在台子上的那一大块碎片已经不再是金原子核了，它已经少掉一个正电荷，现在是周期表上处在金前面的元素铂的原子核。不过，有的时候，进入原子核的质子并不会使原子核分裂成两部分，结果，你所得到的就是周期表上跟在金后面那个元素的原子核，也就是汞的原子核。把这些过程和类似的过程结合起来，我们实际上能够把任何一种指定的元素转变成另一种。”</p>

  <p align="justify" height="1em" width="2em">“那么，物理学家们为什么不把大量像铅这样的普通元素，转变成像金那样价值更高的元素呢？”汤普金斯先生问道。</p>

  <p align="justify" height="1em" width="2em">“因为用炮弹轰击原子核的效率太低了。首先，他们不能够像我这样准确地打出他们的炮弹，因此，实际上要射出几千发炮弹，才有一个炮弹击中原子核。其次，即使在直接命中的情况下，炮弹也很可能不穿进原子核的内部，而是从原子核上弹回去。你可能已经注意到，当我把质子扔到金原子核上时，它在进入原子核之前有些犹豫，我当时还认为，它会被原子核弹回来呢。”</p>

  <p align="justify" height="1em" width="2em">“到底是什么东西阻碍炮弹进入原子核呢？”汤普金斯先生很感兴趣地问。</p>

  <p align="justify" height="1em" width="2em">“你应该是能够自己猜到的，”老头说，“只要你还记得原子核和轰击它的质子全都带有正电荷就行了。在这些电荷之间的静电斥力，形成了一种不很容易越过的堡垒。如果说入射质子能够穿过原子核的这种堡垒，那只是因为它们利用了某种像特洛伊木马计那样的方法，它们不是作为粒子，而是作为波通过原子核的核壁的。”</p>

  <p align="justify" height="1em" width="2em">汤普金斯先生正想承认他不理解老头的话是什么意思，但是就在这个时候，他突然意识到他可能已经理解了。</p>

  <p align="justify" height="1em" width="2em">“有一次，我看过一种有趣的台球比赛，”他说，“那里用的也是这样的球。最初，台球放在三角形的木框里。后来，它突然出现在木框外，就像是穿过那个木质堡垒‘漏’出来似的，当时，我还担心老虎会不会也从铁笼里漏出来。你看，我们刚才在这里看到的是不是同一回事呢——只不过现在不是台球和老虎漏出来，而是质子漏进去罢了？”</p>

  <p align="justify" height="1em" width="2em">“我觉得就是这样。”老头说，“不过，我对你说实话吧，理论从来就不是我的强项。我自己只不过是个做实际工作的人。但是十分明显，那些核粒子只要是用量子材料做成的，就总是能够穿过一般认为无法通过的障碍物漏进去。”</p>

  <p align="justify" height="1em" width="2em">老头停了一下，认真地看着汤普金斯先生。“你说的那些台球，”他接着问道，“它们确实是真正的量子象牙台球吗？”</p>

  <p align="justify" height="1em" width="2em">“是的，据我了解，它们是用量子大象的长牙制成的。”汤普金斯先生回答说。</p>

  <p align="justify" height="1em" width="2em">“好啊，人生就是这样嘛，”老头悲哀他说，“他们浪费这样宝贵的材料，只不过是为了玩乐，而我却不得不用普普通通的量子橡木来雕刻质子和中子——整个宇宙最基本的粒子。”</p>

  <p align="justify" height="1em" width="2em">“不过，”他继续说，努力想把他的沮丧掩盖起来，“我这些可怜的木雕制品同那些贵重的象牙制品一样出色。我要让你看看，它们能够多么干净利落地通过任何一种堡垒。”于是，他登上长板凳，从顶层架子上拿下一个雕刻得很奇怪的木制品，它的样子很像一座火山口的模型。</p>

  <p align="justify" height="1em" width="0pt"><img align="baseline" alt="" height="141" src="../Images/Image00061.jpg" width="293" /></p>

  <p align="justify" height="1em" width="2em">它的样子很像一座火山口的模型</p>

  <p align="justify" height="1em" width="2em">“你现在所看到的，”他继续说，一面轻轻地拂去上面的灰尘，“是任何一个原子核周围都存在的斥力势垒的模型。外面的斜坡相当于电荷之间的静电排斥作用，而里面那个洞相当于把核粒子粘在一起的内聚力。现在如果我把一个球向斜坡上弹去，但是所用的力量不足以使它越过坡顶，你自然要认为它将会滚回来。但是，你看看实际上会发生什么事吧……”说着，他把那个球轻轻一弹。</p>

  <p align="justify" height="1em" width="2em">那个球在大约爬上斜坡的一半以后，又重新滚回台子上来了。</p>

  <p align="justify" height="1em" width="2em">“怎么啦？”汤普金斯先生不满意地评论说。。</p>

  <p align="justify" height="1em" width="2em">“等一等，”木雕匠平静他说，“你不应该期望第一次试验就能看到啊。”于是，他又一次让那个球爬坡。这一次又失败了。但是，在第三次试验时，那个球大约刚刚爬上斜坡的一半时，突然一下子消失不见了。</p>

  <p align="justify" height="1em" width="0pt"><img align="baseline" alt="" height="367" src="../Images/Image00081.jpg" width="446" /></p>

  <p align="justify" height="1em" width="2em">他又一次让那个球爬坡</p>

  <p align="justify" height="1em" width="2em">“好，你能猜到那个球到哪里去了吗？”老木雕匠带着魔术师的神态得意洋洋他说。</p>

  <p align="justify" height="1em" width="2em">“你是说它现在已经进入洞中了吗？”汤普金斯先生问道。</p>

  <p align="justify" height="1em" width="2em">“是的，它现在确实就在那里。”老头说，一面用指头把那个球夹出来。</p>

  <p align="justify" height="1em" width="2em">“现在让我们反过来做一做，”他提议说，“看看球不爬上峰顶，能不能从洞里跑出来，”说着，他把那个球扔回洞里。</p>

  <p align="justify" height="1em" width="2em">有一段时间，什么事情都没有发生，汤普金斯先生只能听到那个球在洞里来回滚动所发出的细微的声响。后来，就像发生一个奇迹那样，那个球突然出现在外面斜坡的中部，然后平缓地滚落到台子上。</p>

  <p align="justify" height="1em" width="2em">“你现在所看到的一切非常忠实地重演了放射性物质β衰变中所发生的情景。”木雕匠说、同时把模型放回原处，“只是在后一种场合下，你碰到的不是用普通量子橡木制成的斜坡，而是静电斥力的势垒。不过，从原理上说，这两者并没有任何差别。有的时候，这种电势垒是非常‘透明的’，粒子远远不到一秒钟就会逃跑出来；但有的时候，它们却非常‘不透明’，要发生这种现象，需要几十亿年的时间，比如说，在铀原子核的场合下就是这样。”</p>

  <p align="justify" height="1em" width="2em">“但是，为什么原子核不全都是放射性的？”汤普金斯先生问。</p>

  <p align="justify" height="1em" width="2em">“这是因为在大多数原子核中，那个洞穴的底部低于外面的水平面，只有在那些非常重的已知原子核中，洞穴的底部才高到有可能发生这种逃跑的事件。”</p>

  <p align="justify" height="1em" width="2em">老木雕匠抬头看看墙上的挂钟。“哎呀，到时啦。我该关门了。如果你不介意……”</p>

  <p align="justify" height="1em" width="2em">“啊，我很抱歉。我本来并没有打算让你花费这么多时间。”汤普金斯先生带着歉意说，“不过，这实在是大有意思了。我只剩下一个问题。可以问吗？”</p>

  <p align="justify" height="1em" width="2em">“是吗？”</p>

  <p align="justify" height="1em" width="2em">“你刚才说，在把不值钱的元素变成更值钱的元素时，用炮弹轰击原子核的做法很难奏效，效率非常低……”</p>

  <p align="justify" height="1em" width="2em">老木雕匠笑了。“你还在希望利用原子核物理学发大财？”</p>

  <p align="justify" height="1em" width="2em">汤普金斯先生不安地动了动，但还是继续往下说。“但是，对你来说，这似乎不难做到，用你放在那里的那种巧妙的装置。”他指着那个用圆筒和木塞组成的新奇发明说，“所以，我觉得很奇怪……”</p>

  <p align="justify" height="1em" width="2em">老木雕匠又笑了。“它是很巧妙，但事情并不是真的。问题就在这里。不，你应该承认，把不值钱的金属变成金子——用生意场上的话来说——这纯粹是空想。我想，你该醒醒啦。”</p>

  <p align="justify" height="1em" width="2em">“这也太过分了。”汤普金斯先生闷闷不乐地想着。</p>

  <p align="justify" height="1em" width="2em">“我说，你该醒醒啦。”</p>

  <p align="justify" height="1em" width="2em">不过，这一次并不是老木雕匠在说话。说话的是慕德。</p>

  <p><br />
  <br />
  <span id="filepos0000410200"></span></p>

  <p align="justify" height="0pt" width="0pt"></p>

  <table align="justify" valign="top">
    <tr align="justify" valign="top">
      <td align="justify" valign="top"><a href="../Text/text00001.html#filepos0000389799"><font color="blue"><u>[1]&nbsp;</u></font></a></td>

      <td align="justify" valign="top">读者必须记住，这里所说的颜色的混合只是指色光的混合，而不是指颜料本身的混合。如果我们把红色和绿色颜料相混合，就只能得出一种混浊的颜色。但是，如果我们把陀螺一半涂红色， 一半涂绿色， 然后让它迅速地自转， 那么， 我们就会看到它呈白色。——原作者注&nbsp;</td>
    </tr>
  </table>

  <p><span id="filepos0000410864"></span></p>

  <p align="justify" height="0pt" width="0pt"></p>

  <p align="center" height="1em" width="0pt"><font size="7"><b>14. 虚空中的空穴</b></font></p>

  <p align="justify" height="1em" width="2em">女士们、先生们：</p>

  <p align="justify" height="1em" width="2em">今天晚上我们要讨论一个特别吸引人的题目——反物质。</p>

  <p align="justify" height="1em" width="2em">反物质的第一个例子，就是我在前几次演讲中已经提到过的正电子，我想先指出一个很有启发性的事实，这就是，这种新粒子的存在是在实际探测到它的好几年前，人们就已经根据纯粹的理论考虑加以预言的，不仅如此，由于人们从理论上预见到它的一些主要性质，这对于从实验上发现它也有巨大的帮助。</p>

  <p align="justify" height="1em" width="2em">作出这种理论预言的荣誉归于英国物理学家狄喇克。他利用爱因斯坦的相对论，结合量子理论的一些要求，去推导电子的能量下的公式。在快要完成计算时，他得到了E <sup><small><font size="1">2</font></small></sup> 的表达式。这样，最后一步就在于取这个表达式的平方根， 找出同E本身相对应的公式。大家知道，在取平方根时，通常有两个不同的可能值：一个是正的，另一个是负的（例如，4的平方根可以是+2，也可以是-2）。 在解决物理学问题时，人们习惯于认为负值“没有物理意义”而不加以考虑，换句话说，就是仅仅把它看作是一种没有任何意义的数学怪物。在上面所说的这个特定的场合下，负解应该同具有负能量的电子相对应。大家别忘了，按照相对论，物质本身是能量的一种形态，所以，具有负能量的电子就意味着它具有负的质量。而这简直是不可思议的！如果你对这样的粒子施加一个引力，它就会离你而去；如果施加的是推力，它却会朝你奔过来——这是同“可以触摸到的”带正质量粒子的行径完全相反的。当然，完全可以认为，我们有充分的理由把那个方程的负解看做是“没有物理意义的”。不理睬它！</p>

  <p align="justify" height="1em" width="2em">　狄喇克的精明之处就在于他并没有采取这种思路。他认为，电子不仅可以有无穷多个不同的正能量量子态，并且也可以有无穷多个不同的负能量量子态。问题是：电子一旦处于负能量量子态，它就必定会显出负质量特有的表现，而这样的事物当然是从来没有观察到的。那么，假设中的这种古怪的带负质量电子到底在哪里呢？</p>

  <p align="justify" height="1em" width="2em">为了勉强摆脱这个难解的问题，有人可能会一下子就说，这只不过是电子恰好不喜欢负能量的量子态，它们由于某种原因，就让这类量子态永远空着。但是，这是说不通的。我们已经知道，虽然在原子中电子有一些量子能态可以占有，但是，电子总是自然地倾向于跳到最低的可用能态并把它的能量辐射出去（除非这个能态已经被别的电子所占有——根据泡利不相容原理，这时它就无法再跳进去了）。既然如此，我们就应该想到，所有的电子都会随时从较高的正能态跳到较低的负能态。难道它们的举止全都不合规矩吗？！</p>

  <p align="justify" height="1em" width="2em">狄喇克所提出的解决办法可能是极其奇怪的。他认为，我们所熟悉的电子之所以没有跳入负能态，是因为所有的负能态全都已经被占满了——无穷多个负能态已经被无穷多个带负质量的电子占满了！如果事情确实如此，那么，为什么我们看不到它们呢？严格他说，这是因为这样的电子实在太多太多了。它们形成了一个完整的连续统。这些电子处在一个完全规则、完全均匀分布的“真空”里。</p>

  <p align="justify" height="1em" width="2em">一个完整的连续统是探测不到的。你无法指着它说“它就在这里”。它是无所不在的。不管在什么地方，它都不会比别的地方多一点或少一点。当你通过它进行运动时，你不会觉得在你的前面它的密度集结得大一些，在你的后面留下了“空隙”——汽车通过空气行驶、鱼儿通过海水运动的情形就是这样。因此，它对运动不会产生任何阻力……</p>

  <p align="justify" height="1em" width="2em">听到这里，汤普金斯先生觉得头晕脑涨了。一种真空——完完全全的虚空——被某种什么东西完全占满了！它就在你的周围，甚至还在你的体内，可你就是看不到它！</p>

  <p align="justify" height="1em" width="2em">他开始做起白日梦了。他好像是变成一条鱼，在水中度过他的一生。他感觉到海上清爽的微风和轻轻荡漾着的碧波。但是，尽管他游泳游得很好，却无法使自己保持在海面上而开始越来越深地往下沉。奇怪的是，他并没有感到缺乏空气，反而觉得十分舒服。“可能，”他想，“这是一种特殊的隐性变异的效果。”</p>

  <p><span id="filepos0000416077"></span></p>

  <p align="justify" height="1em" width="2em">据古生物学家们说，生命是从海洋中开始的，在鱼类当中，第一个移栖到干燥陆地上的先锋是所谓肺鱼，它爬到海滩上，靠它的鳍爬行。据生物学家们说，这种最早的肺鱼后来逐渐进化成陆居动物，像老鼠，猫，人等等。但是其中有一些，像鲸类和海豚，在已经学会克服陆上生活的一切困难以后，又回到海洋里去了。它们回到水里以后，仍然保存了它们在陆上斗争中所需要的那些优点，并且仍然是哺乳动物，雌鲸和雌海豚在体内怀胎，而不是只甩出鱼子，再由雄性授精。那个名叫斯齐拉德 <a href="../Text/text00001.html#filepos0000429188"><font color="blue"><u>[1]</u></font></a> 的著名匈牙利科学家不是说过，海豚的智力比人类还要高吗？！</p>

  <p align="justify" height="1em" width="2em">他的思路被海洋深处某个地方的一段对话打断了，进行对话的是一条海豚和一个典型的人。汤普金斯先生认出，这个人是剑桥大学的物理学家狄喇克，因为他过去曾经看见过他的照片。</p>

  <p align="justify" height="1em" width="2em">“你听着，狄喇克，”是那条海豚在说话，“你老是说，我们不是处在真空中，而是处在由带有负质量的粒子所形成的物质介质中。就我的感觉来说，水同空虚无物的空间根本没有任何差别，水是十分均匀的，我可以穿过它朝各个方向自由地运动。不过，我从我曾祖父的曾祖父的曾祖父的曾祖父那里听到一个传说，说是在陆地上就完全不同了，那里有许多高山和峡谷，不费很大力气就没法越过它们，而在这里，在水中，我可以随意朝我选好的任何方向运动。”</p>

  <p align="justify" height="1em" width="2em">“就海水这个场合而论，你是正确的，我的朋友，”狄喇克回答说，“海水对你身体的表面施加一种摩擦力，如果你不摆动你的尾巴和鳍，你就根本不能够运动。同样，由于水的压力随着深度而改变，你要靠你身体的膨胀和收缩才能够往上浮和往下沉。但是，如果水没有摩擦力和压力梯度，你就会像个用完火箭燃料的宇航员那样无依无靠。我那个由带负质量的电子所形成的海洋是完全没有摩擦力的，所以它就没法观察到了。只有缺少一个电子的情况才能用物理仪器观察到，因为缺少一个负电荷就等于出现一个正电荷，这种情形就连库仑也能注意到的。</p>

  <p><span id="filepos0000418658"></span></p>

  <p align="justify" height="1em" width="2em">“不过，在用普通的海洋来比喻我的电子海洋时，我们必须指出两者之间有一个重要的差别，才不致被这个比喻带到太远的地方去。问题在于，既然形成我的海洋的电子必须服从泡利原理，所以，当所有可能的量子能级都被占满的时候，就无法再往这个海洋里添加一个电子了。这样，一个多余的电子就不得不停留在我的海洋的表面之上，因而很容易用实验把它辨认出来。电子是汤姆孙 <a href="../Text/text00001.html#filepos0000429636"><font color="blue"><u>[2]</u></font></a> 首先发现的。不管是围绕原子核旋转的电子，还是通过真空管飞行的电子，都是这种多余的电子。在1930年我发表第一篇论文以前，我们以外的空间一直被认为是空虚的，当时人们相信，只有那些偶然溢到零点能水平面以上的水花，才具有物理学上的现实性。”</p>

  <p align="justify" height="1em" width="2em">“但是，”海豚说，“既然你的海洋是连续的，又没有摩擦力，因而无法观察到，那么，你谈论它又有什么意义呢？”</p>

  <p align="justify" height="1em" width="0pt"><img align="baseline" alt="" height="369" src="../Images/Image00094.jpg" width="426" /></p>

  <p align="justify" height="1em" width="2em">我的海洋是没有摩擦力，而且处处均匀的</p>

  <p align="justify" height="1em" width="2em">“好吧，”狄喇克说，“现在让我们假设，有某种外力迫使一个带有负质量的电子从海洋深处升高到海面以上。在这种场合下，可以观察到的电子就多了一个，人们大概会认为，这种情形是违背了守恒定律的。不过，由于这个电子的离开，现在在海洋中形成了一个可以观察到的空穴。”</p>

  <p align="justify" height="1em" width="2em">“它就像海水中的气泡那样，”海豚指着从深海出现。正在慢悠悠地漂向海面的一个气泡说：“就像那个？”</p>

  <p align="justify" height="1em" width="2em">“正是，”狄喇克同意了，“在我的世界里，我们不但可以看见从电子海洋中敲出的带有正能量的电子，并且还可以看见留在真空中的空穴。这个空穴就是少了一点以前存在过的东西的结果。举例来说，原来那个电子是带有一个负电荷的，而在一个均匀分布的连续统中缺少了那个负电荷，就应该理解成在那里出现了等量的正电荷；同时，在那里缺少了一个负质量也应该看做是出现了一个正质量，这个质量的大小与原来那个电子相同，但却取正值。换句话说，这个空穴的表现同一个完全正常的触摸得到的粒子并没有什么两样。它的行为同电子一样，只不过它带的是正电荷，而不是负电荷。正是因为这样，我们才把它叫做正电子。这样一来，我们就看到了电子对的产生——在空间的同一点上同时产生了一个电子和一个正电子。”</p>

  <p align="justify" height="1em" width="2em">“这真是个优美的理论，”海豚评论说，“不过，事情真的是这样吗……”</p>

  <p align="justify" height="1em" width="2em">“下一张幻灯片。”教授那熟悉的命令式的声音打断了汤普金斯先生的美梦，“我刚才说过，惟一能够探测到那种连续统的办法，就是要设法把它扰动一下。如果你能在连续统中击出一个空穴，那么，你就可以说：‘整个连续统是无所不在的，但是这里是个例外。’女士们。先生们，这正好就是狄喇克所提出的建议：请在空虚的空间里打个洞吧！现在这张图片可以告诉大家，这件事已经做到了！</p>

  <p align="justify" height="1em" width="2em">“这是一张气泡室的照片。我也许应该说明一下，气泡室是一种粒子探测器，它有点像威尔孙云室，但是其内容却正好相反（云室是在粒子经过的地方产生小水滴，而气泡室却是在粒子经过的地方产生小气泡）。气泡室是美国物理学家格莱泽发明的，他因此而获得1960年的诺贝尔物理学奖。据说，有一次他坐在酒吧里，郁郁不乐地注视着他面前的啤酒瓶中冒起的气泡。他突然想到，既然威尔孙可以通过气体中的液滴去研究粒子，那么，他为什么不能通过液体中的气泡更好地对粒子进行研究呢？威尔孙是使气体发生膨胀而使过饱和的水蒸气冷却凝成小水滴的，那么，他为什么不能降低对液体的压力、使它变得过热而沸腾呢？而这正是气泡室所起的作用：它用液体中的一串串气泡标志出带电亚原子粒子的尾迹。</p>

  <p align="justify" height="1em" width="2em">“这张特殊的幻灯片显示了两个电子－正电子对的产生。有一个带电粒子进入了这张图的底部。它在大家看到的那个拐弯的地方发生了一次相互作用。由于这次相互作用，不但那个带电粒子离开原来的路径向右拐弯，而且还产生了一个中性粒子，后者立即变成两束高能γ射线。你们既看不到这第二个粒子，也看不到它所产生的γ射线，因为它们都是电中性的，不会留下一串气泡。后来，每一束γ射线又各自产生一个电子-正电子对，那就是图上端那两个V字形的径迹图形。请大家注意，那两个V字的下端都指向原先相互作用的地点。</p>

  <p align="justify" height="1em" width="0pt"><img align="baseline" alt="" height="363" src="../Images/Image00100.jpg" width="193" /></p>

  <p align="justify" height="1em" width="2em">两个V字的下端都指向原先相互作用的地点</p>

  <p align="justify" height="1em" width="2em">“大家还应该注意到，所有这些径迹都有规则地朝着这一侧或那一侧弯曲。这是因为当时已经沿着我们视线的方向对整个气泡室施加了强大的磁场。这个磁场使得照片中的带负电运动粒子顺时针方向拐弯，而带正电粒子则逆时针方向拐弯。既然这样，现在你们就应该能够辨认出每一对中的电子和正电子了。顺便说一下，有些径迹之所以比另一些径迹弯得更厉害。是因为弯曲的程度取决于粒子的动量：粒子的动量越小，其径迹的曲率便越大。你们现在一定已经开始认识到，一张气泡室的照片充满了各种各样的线索，它们可以指引我们怎样继续走下去！</p>

  <p align="justify" height="1em" width="2em">“现在你们已经看见怎样才能在真空中打出一个洞，而且一定想知道接下去会发生什么样的事……”</p>

  <p align="justify" height="1em" width="2em">听到这个时候，汤普金斯先生并不觉得奇怪。他的思想已经回到他自己也是一个电子的时候了，并且毛骨悚然地想起他怎么闪避开那个好战的正电子。但是，教授还在继续往下讲：</p>

  <p align="justify" height="1em" width="2em">……正电子的表现一直同正常的粒子没有什么两样，直到它碰上一个普通的带负电的电子。这时电子会立即落入这个空穴并把它填满，于是，连续统便恢复了原状，而电子和正电子（空穴）都双双消失了，我们把这种事件叫做正电子与负电子互相湮没。在它们结合时释放出的能量以光子的形态发射出去。</p>

  <p align="justify" height="1em" width="2em">我刚才一直把电子说成从狄喇克海洋中溢出的东西，而把正电子当做这个海洋中的空穴。但是，我们也可以把这种看法反过来，把普通电子看做空穴，而让正电子扮演被溢出的粒子的角色。不管是从物理学观点还是从数学观点来看，这两种图像都是绝对等效的，无论选用哪一种图像，实际上并没有任何差别。</p>

  <p align="justify" height="1em" width="2em">其实，电子并非独一无二地具有反粒子（我们称之为正电子）的粒子。与质子相对，也有一种反质子。正像我们可以预料到的，它的质量正好与质子相同，但却带有相反的电荷，换句话说，反质子是带负电的。反质子可以看做是另一种连续统中的空穴。这一次，这个连续统是由无穷多个带负质量的质子组成的。事实上，所有各种粒子都有其反粒子，我们把后者统称为反物质。</p>

  <p align="justify" height="1em" width="2em">现在有这样一个问题：“如果说在我们所居住的这一部分宇宙，物质在数量上明显地占优势，那么，我们是不是应该设想在宇宙的某个其他部分，情况会恰好反过来呢？”换句话说，从狄喇克海洋中溢到我们周围的水花，是不是要靠某个什么地方缺少这种粒子来作为抵偿？</p>

  <p align="justify" height="1em" width="2em">这个极有意义的问题是很难回答的。事实上，由于由带负电的原子核和围绕它转动的正电子所构成的原子，应该具有与普通原子完全相同的光学性质，我们就没有办法靠任何光谱分析来解决这个问题了。就我们目前所知道的情况而言，构成（比方说）大仙女座星云的物质，就非常可能是属于这种颠倒型的，不过，惟一能证明这一点的办法是把一块这样的物质拿到手，看看它在同地面上的物质接触时究竟会不会发生湮没。当然罗，这将是一种极其猛烈的爆炸！</p>

  <p align="justify" height="1em" width="2em">事实上，最普通的办法是对互相碰撞的星系进行观察。如果有个星系是由物质构成的，另一个星系是由反物质构成的，那么，当一个星系的电子与另一个星系的正电子互相湮没时，所释放出的能量将会大得极其惊人。但是观察结果告诉我们，没有任何证据可以证明发生过这种事情。因此，比较保险的做法大概是假定宇宙的所有物质几乎都只属于一种类型。如果不是这样的话，宇宙中的星系就应该有一半是物质，另一半是反物质。</p>

  <p align="justify" height="1em" width="2em">最近有人提出，可能在宇宙最开始的时候，物质和反物质的数量是相等的。但是，后来在大爆炸发展的过程中，各种相互作用有利于物质的存在，而不利于反物质。正是其后发生的这一系列作用的结果，使得今天的宇宙出现不平衡的状况。不过，这种看法目前只不过是一种假设性的臆测而已。</p>

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  <span id="filepos0000429188"></span></p>

  <p align="justify" height="0pt" width="0pt"></p>

  <table align="justify" valign="top">
    <tr align="justify" valign="top">
      <td align="justify" valign="top"><a href="../Text/text00001.html#filepos0000416077"><font color="blue"><u>[1]&nbsp;</u></font></a></td>

      <td align="justify" valign="top">参考斯齐拉德著：《海豚的声音和其他故事》（Leo Szilard，The Voice of the Dolphins and Other Stories, Simon and Schuster, New York 1961）。——译者注&nbsp;</td>
    </tr>
  </table>

  <p><span id="filepos0000429636"></span></p>

  <p align="justify" height="0pt" width="0pt"></p>

  <table align="justify" valign="top">
    <tr align="justify" valign="top">
      <td align="justify" valign="top"><a href="../Text/text00001.html#filepos0000418658"><font color="blue"><u>[2]&nbsp;</u></font></a></td>

      <td align="justify" valign="top">汤姆孙（J. J. Thomsom），1824~1907，英国物理学家，他除了发现电子外，在热学和电学方面也有不少贡献。他由于对电子的研究而获得1906 年的诺贝尔物理学奖。——译者注&nbsp;</td>
    </tr>
  </table>
</body>
</html>
